Автоматные стали
Автоматные стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество. При их применении снижается расход режущего инструмента. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.
Сера в автоматной стали находится в виде сульфидов марганца MnS, т.е. вытянутых вдоль прокатки включений, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном содержании серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфидов марганца.
Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании. Состав автоматных сталей приведен в табл. 4.16.
Таблица 4.16
Химический состав автоматных сталей
Стали маркируют буквой А (автоматная), после которой следует цифра, указывающая среднее содержание углерода в сотых долях процента; при повышенном содержании в стали марганца в конце марки добавляется буква Г, например А40Г. Сталь А12 используют для изготовления на быстроходных автоматах винтов, болтов, гаек и различных мелких деталей сложной конфигурации. Стали А20, АЗО, А40Г применяют для изготовления на автоматах деталей, работающих в условиях повышенных напряжений.
Для увеличения производительности станков автоматов Волжский автомобильный завод применяет стали с добавкой 0,15–0,3 % Pb (AC11, АС14).
Свинец, находящийся в стали в виде мельчайших округлых включений, связанных с сульфидами, действует как разрушитель стружки сильнее, чем MnS.
Пленка свинца, образующаяся при резании, уменьшает трение между инструментом и обрабатываемым изделием.
Стали с повышенным содержанием серы и со свинцом обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не могут быть рекомендованы для тяжелонагруженных ответственных деталей.
Улучшение обрабатываемости резанием может быть достигнуто и путем легирования стали селеном (~ 0,1 %). Скорость резания повышается в 1,2–1,8 раза, а стойкость инструмента – более чем в 2 раза.
Стали с селеном менее склонны к хрупкому разрушению, однако механические свойства их ниже, чем у обычных конструкционных сталей.
Цементуемые стали
Конструкционные легированные стали общего назначения преимущественно поставляются по ГОСТ 4543-71.
Для цементуемыx изделий применяют низкоуглеродистые (0,1–0,25 % С) стали. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементованный слой должен иметь твердость 58–62 HRC, а сердцевина 20–40 HRC.
Сердцевина цементуемых сталей должна иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.
Для изделий небольших размеров, работающих на износ и не требующих высокой прочности сердцевины, применяют углеродистые стали марок 10, 15, 20. Легированные стали используют для более сильно нагруженных и особенно крупных изделий, сердцевина которых должна иметь высокий предел текучести, а цементованный слой – высокую твердость и износостойкость.
Хромистые стали. Для изделий несложной формы (втулки, пальцы, валики, некоторые зубчатые колеса), цементуемых на глубину 1,0–1,5 мм, применяют хромистые стали марок 15Х, 15ХА и 20Х, содержащие 0,7–1,0 % Сr.
В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение, и при закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали, по сравнению с углеродистыми, обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочностью в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву (но меньше, чем углеродистая) и при цементации может получать повышенное содержание углерода в поверхностном слое. Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Критический диаметр для 95 % мартенсита при закалке в воде 12–20 мм и при закалке в масле 5–12 мм.
Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0,1–0,2 %) улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий (поршневые пальцы, распределительные валики и т.д.).
Хромоникелевые стали. Для деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали. Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины. Никель, кроме того, повышает прочность и вязкость цементованного слоя. Хромоникелевые стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали. Критический диаметр при закалке в масле (для 95 % мартенсита) 25–70 мм. Это же позволяет закалить крупные детали с охлаждением в масле, а в некоторых случаях и на воздухе.
Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом (или молибденом) дополнительно повышает устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно, и прокаливаемость. Сталь 18Х2Н4ВА или соответствующую ей сталь с молибденом 18Х2Н4МА применяют для крупных тяжелонагруженных деталей, например зубчатых колёс, коленчатых валов, осей и т.д. Вследствие высокой устойчивости переохлажденного аустенита детали сечением до 150–200 мм из стали 18Х2Н4ВА (18Х2Н4МА) закаливаются при охлаждении на воздухе, что еще больше уменьшает коробление. Критический диаметр прокаливаемости 100 мм, а порог хладноломкости – 80 °С.
Стали 12ХНЗ, 20ХНЗ, 20Х2Н4, 12Х2Н4, 18Х2Н4ВА и др. при закалке в масле приобретают в сердцевине структуру нижнего бейнита или низкоуглеродистого мартенсита, что приводит к значительному упрочнению стали. В результате цементации повышается устойчивость переохлажденного аустенита в поверхностном слое, особенно в зоне промежуточного превращения.
Поэтому при закалке в масле на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит, обладающий твердостью 58–63 HRC. Однако следует иметь в виду, что при насыщении стали углеродом понижается температура мартенситного превращения в поверхностном слое и возрастает количество остаточного аустенита, особенно в сталях 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4. При несоблюдении установленного режима обработки повышенное количество остаточного аустенита в цементованном слое может быть и в менее легированной стали 12ХНЗА. Количество остаточного аустенита в цементованном слое увеличивается с повышением температуры закалки и концентрации углерода.
Остаточный аустенит понижает твердость, сопротивление износу, предел прочности при изгибе и предел выносливости. Снижение количества остаточного аустенита достигается обработкой холодом (от –100 до –120 °С) после закалки или применением промежуточного высокого отпуска (600 – 640 °С) с последующей закалкой при возможно более низкой температуре.
При высоком отпуске из аустенита выделяются легированные карбиды. При последующем нагреве под закалку значительная часть карбидов остается вне твердого раствора, а менее легированный аустенит при охлаждении превращается в мартенсит, и поэтому количество остаточного аустенита уменьшается, а твердость повышается. Сталь после такого высокого отпуска характеризуется меньшей прокаливаемостью при последующей закалке. При обработке холодом уменьшается количество остаточного аустенита и повышается твердость, однако происходит некоторое снижение предела выносливости и вязкости по сравнению с высоким отпуском.
Для изготовления ответственных зубчатых колес, валов и других деталей, в том числе работающих в условиях Севера, предложены экономно-легированные стали 18ХНМФА (18ХН1МФА) следующего химического состава: 0,16–0,21 % С; 0,8–1,2 % Cr; 0,6–0,9 % Ni (1,2–1,6 % Ni); 0,45–0,65 % Мо и 0,08–0,14 % V. Стали имеют повышенную прочность, прокаливаемость и сопротивление хрупкому разрушению.
Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо более дорогих хромоникелевых сталей для зубчатых колес, валов и других деталей.
Эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. Введение небольших количеств титана (0,03–0,09 %) уменьшает склонность хромомарганцевых сталей к перегреву.
В связи с этим более широкое применение получила хромомарганцевая сталь с титаном марки 18ХГТ. Сталь 18ХГТ цементуют при 910–930 °С, закаливают с 870 °С с охлаждением в масле и подвергают отпуску при 180–200 °С. Сталь 18ХГТ сохраняет мало остаточного аустенита и получает после закалки высокую твердость в цементованном слое (58–61 HRС).
К недостатку можно отнести сравнительно небольшую устойчивость переохлажденного аустенита в стали 18ХГТ, а следовательно, и прокаливаемость. Ее критический диаметр для 95 % мартенсита при закалке в воде составляет 25–40 и при закалке в масле 10–25 мм. Сталь 18ХГТ используют для зубчатых колес автомобилей (коробка передач). Порог хладноломкости для полностью вязкого излома +20 °С. Для изготовления зубчатых колес и валов коробки передач грузовых автомобилей применяют стали 25ХГТ и 25ХГМ (0,23–0,29 % С; 0,9–1,2 % Мn; 0,9–1,2 % Сr; 0,15–0,25 % Мо), упрочняемые цементацией или нитроцементацией. Стали подвергают непосредственной закалке с цементационного нагрева. Для деталей с максимальной твердостью более 60 HRC (зубчатые колеса модуля 3–4 мм) рекомендуется сталь 25ХГМ с размером зерна № 5–8.
Молибден повышает прокаливаемость цементованного слоя и обеспечивает максимальную твердость на поверхности.
Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается также дополнительным легированием их никелем. Такие менее легированные хромомарганцевоникелевые стали, например 18ХГН и 15ХГН2Т, приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.
Стали, легированные бором. Для цементации используют также стали, содержащие бор (в количестве 0,001–0,005 %). Бор повышает устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения и поэтому увеличивает прокаливаемость стали.
Повышение устойчивости аустенита связано с тем, что бор, присутствуя преимущественно по границам зерен, тормозит образование зародышей перлита. Однако при повышенном содержании бора образуются бориды железа, уменьшающие устойчивость аустенита.
Бор повышает прокаливаемость лишь доэвтектоидных сталей, содержащих 0,5–0,6 % С, но не улучшает пракаливаемость цементованного слоя.
Легирование бором повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность.
Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Поэтому такая сталь, как правило, должна быть наследственно мелкозернистой (зерно № 7–10). Легирование бористой стали титаном (цирконием) повышает ее устойчивость против перегрева. В промышленности для деталей небольших сечений, работающих в условиях износа при трении (втулки, пальцы, толкатели и т.д.), применяют сталь 15ХР состава: 0,12–0,17 % С; 0,7–1,0 % Сr 0,002–0,005 % В, а для нагруженных шестерен сталь 20ХГР, содержащую 0,18–0,24 % С; 0,7–1,0 % Мn; 0,8–1,1 % Сr; 0,002–0,005 % В.
Дополнительное легирование стали 20ХГР никелем в количестве 0,8–1,1 % (20ХГНР) повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость, поэтому сталь 20ХГНР применяют для некоторых деталей вместо хромоникелевых сталей типа 12ХНЗА.