Материаловедение / 33-34

бовысококачественные в конце обозначения марки ставится буква Ш через дефис.

В некоторых марках стали применяют дополнительные буквы, стоящие впереди обозначения марки, указывающие области их при­менения. Автоматные стали обозначаются буквой А, например, А20 (содержит 0,20 % С), шарикоподшипниковые стали - буквой Ш (ШХ15, содержит около 1 % С и 1,5 % Cr), быстрорежущие инстру­ментальные стали - буквой Р (Р18, содержит 18 % W, около 1 % С); Р6М5 (~1 % С, около 4 % Cr, 6 % W, 5 % Mo); магнитно-твердые ста­ли обозначаются буквой Е.

Нестандартные легированные стали маркируют условно с ука­занием завода изготовителя и порядкового номера. Выплавляемые за­водом «Электросталь» обозначаются буквой Э, «Днепропетровск-сталь» - Д, Златоустовским металлургическим заводом - З. После указания завода производителя следует буква И или П. Буква И обо­значает исследовательская, буква П - пробная партия. Например, ЭИ417, ЭП67 и др. После их промышленного освоения условные обо­значения заменяют на общепринятую маркировку, отражающую их химический состав.

7.2. Конструкционные стали

Конструкционные стали применяются для изготовления широ­кого класса деталей, работающих в различных климатических усло­виях, при воздействии статических и динамических нагрузок. Они должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошо со­противляться ударным нагрузкам, усталости, а испытывающие фрик­ционное взаимодействие - износостойкостью. От них требуется также высокие технологические свойства.

Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, никель, марганец и кремний. Для улучшения отдель­ных свойств дополнительно вводят вольфрам, молибден, бор, вана­дий, титан и другие элементы. Легированные стали имеют меньшую критическую скорость закалки и большую прокаливаемость, что по­зволяет производить закалку деталей с меньшими скоростями охлаж­дения, снижая соответственно внутренние напряжения и вероятность коробления деталей сложной конфигурации, а также опасность обра­зования закалочных трещин. Имея большую прокаливаемость, леги­рованные стали допускают изготовление деталей более крупного се­чения, чем углеродистые, обеспечивая необходимые требования к структуре металла по сечению.

Хром вводится в конструкционные стали в количестве до 2 %. Он хорошо растворяется в феррите и цементите, упрочняя их.

Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению стали, прокаливаемость, пластичность и вязкость, уменьшает чувствитель­ность к концентраторам напряжений и понижает температуру порога хладноломкости. Его вводят в количестве от 1 до 5 %.

Марганец вводят в количестве до 1,5 %, зачастую как замени­тель дефицитного и дорогого никеля. Он, повышая предел текучести стали, одновременно повышает чувствительность стали к перегреву.

Кремния в конструкционных сталях содержится не более 2 %. Он повышает предел текучести, замедляет процесс отпуска мартенси­та, способствует повышению вязкости бейнита при изотермической закалке.

Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элемен­тами, растворимыми в цементите, способствующими измельчению зерна, уменьшающими склонность к хрупкости, увеличивающими прокаливаемость сталей. Вводят в конструкционные стали молибдена 0,2.. .0,4 % и ванадия 0,8.. .1,2 %.

Для измельчения зерна, понижения порога хладноломкости, уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений вводят титан до 0,15 и ванадий до 0,3 %.

Увеличивает прокаливаемость сталей также бор, который вво­дится в количестве 0,002.0,005 % как заменитель дорогостоящих никеля и молибдена.

Различают следующие виды конструкционных сталей: для строительных конструкций и машиностроительные, которые в свою очередь подразделяются на машиностроительные стали общего на­значения и специальные (пружинные, автоматные, шарикоподшипни­ковые, жаропрочные и др.).

7.2.1. Стали для строительных конструкций

Стали для строительных конструкций должны обладать хорошей свариваемостью, т. к. детали конструкций в большинстве случаев со­единяются сваркой. Для этих целей используют низкоуглеродистые и низколегированные стали, содержащие от 0,10 до 0,25 % С, как угле­родистые, так и легированные кремнием, марганцем, хромом, никелем, медью в небольших количествах.

Широко используются углеродистые стали обыкновенного каче­ства марок Ст2, Ст3, а также низколегированные марок 14Г2, 17ГС,

14ХГС. Для конструкций, работающих при низких температурах, ис­пользуют стали, легированные дополнительно никелем и медью, на­пример, 10ХСНД, 15ХСНД, допускающие работу конструкций при температурах до -60 °С. Эти стали имеют повышенную коррозионную стойкость в атмосферных условиях.

7.2.2. Машиностроительные стали общего назначения

Машиностроительные качественные стали общего назначения подразделяются на цементуемые и улучшаемые. Цементуемые стали применяются для деталей, работающих при воздействии динамических нагрузок и испытывающих фрикционное взаимодействие, от которых требуется высокая поверхностная твердость и вязкая сердцевина.

В зависимости от степени упрочняемости сердцевины различают три группы цементуемых сталей: с неупрочняемой, слабо- и сильноуп-рочняемой сердцевиной. К первой группе относятся углеродистые стали марок 10, 15, 20. После термообработки сердцевина детали имеет фер-рито-перлитную структуру. Их применяют для малоответственных де­талей небольшого сечения. Ко второй группе относятся низколегиро­ванные хромистые стали, имеющие более мелкозернистую структуру (сорбит) после термообработки, обладающие повышенной пластично­стью и вязкостью. К третьей группе относятся хромоникелевые, хромо-марганцевые стали, дополнительно легированные титаном, ванадием и другими элементами. Их используют для деталей большого сечения, испытывающих значительные ударные нагрузки. После термообработ­ки стали, содержащие 2 % Cr, 4 % Ni, вольфрам, молибден (18Х2Н4ВА, 18 Х2Н4МА), могут иметь в сердцевине низкоуглеродистый мартенсит.

Для малоответственных деталей небольших размеров применяют низкоуглеродистые стали марок 10, 15, 20. Более высокую прочность (а_в до 800 МПа) и вязкость обеспечивают стали, легированные хромом

15Х, 20Х, а также хромованадиевая сталь 15ХФ. Эти стали для умень­шения коробления закаливают в масле. Сердцевина деталей приобрета­ет трооститную или бейнитную структуру. Из них изготавливают дета­ли сечением до 25 мм, работающие при средних нагрузках.

Для деталей, испытывающих значительные ударные и знакопе­ременные нагрузки, имеющих большое сечение и сложную конфигу­рацию, применяют хромоникелевые стали 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН3А или более дешевые стали типа 18ХГТ, временное сопротив­ление которых достигает до 1150 МПа. После закалки в масле детали сечением до 100 мм имеют в сердцевине структуру низкоуглероди­стого мартенсита в смеси с бейнитом, обеспечивая сочетание высокой прочности и вязкости.

Для крупных тяжелонагруженных деталей используют стали, дополнительно легированные вольфрамом или молибденом, напри­мер, 18Х2Н4ВА или 18Х2Н4МА. Вольфрам и молибден повышают устойчивость переохлажденного аустенита. Эти стали относятся к мартенситному классу и закаливаются при охлаждении даже на воз­духе практически в любом сечении. Структура в сердцевине деталей после закалки представляет собой мартенсит или смесь мартенсита с бейнитом. Критический диаметр прокаливаемости до 95 % мартен­сита этих сталей составляет 100 мм, при этом порог хладноломкости достигает -80 °С. После закалки в них остается большое количество остаточного аустенита, снизить которое можно путем обработки хо­лодом при температурах от -100 до -120 °С.

В авто- и станкостроении детали, подвергающиеся трению и ударным нагрузкам, изготавливают из хромомарганцевых сталей, легированных дополнительно бором в количестве 0,002.0,005 %, например, 20ХГР, 20ХГНР (червяки, зубчатые колеса, муфты и др.), а также титаном и молибденом 18ХГТ, 25ХГМ.

Конструкционные улучшаемые стали (ГОСТ 4543-71) имеют высокую прочность и вязкость, высокий предел выносливости, малую чувствительность к концентраторам напряжений после закалки и вы­сокого отпуска. Кроме того, эти стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупко­сти. К улучшаемым относятся среднеуглеродистые стали, содержа­щие 0,3.0,5 % углерода. Количество кремния в них обычно не более 0,4 %, марганца не более 0,8 %. В легированных конструкционных сталях содержание легирующих элементов до 5 %. После закалки и высокого отпуска улучшаемые стали имеют структуру сорбита от­пуска, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.

Оптимальное сочетание прочности и пластичности после улуч­шения достигается, если сечение детали соответствует критическому диаметру стали для 95%-ного мартенсита. Глубокопрокаливающиеся легированные стали применяют для крупных деталей. Для деталей, работающих на изгиб и кручение, достаточно, чтобы слой с 95%-ным мартенситом располагался на глубине не менее 0,5 радиуса. Для дета­лей, работающих на растяжение, и от которых требуется высокая уп­ругость (шатуны, торсионные валы, ответственные крепежные изде­лия), требуется сквозная прокаливаемость по всему сечению.

Улучшаемые легированные стали применяют для широкого клас­са деталей машин, испытывающих как статические, так и циклические нагрузки (валы, штоки, шатуны, зубчатые колеса, шестерни и др.).

Углеродистые стали марок 35, 40 и 45 имеют прокаливаемость со структурой 95%-ного мартенсита до 10 мм и используются для де­талей небольшого сечения.

Прокаливаемость Д95 до 20 мм имеют стали, легированные хро­мом 30Х и 40Х. Однако они склонны к отпускной хрупкости. Для них необходимо быстрое охлаждение после отпуска (для мелких деталей в масле, а крупных - в воде). Введение дополнительно молибдена, марганца, бора способствует устранению этого недостатка.

Стали 30Х рекомендуются для осей, валиков, рычагов, болтов небольших размеров. Для деталей ответственного назначения (колен­чатых валов, осей, шестерен и др.) применяют стали 40Х, а для изде­лий, работающих на износ при умеренных нагрузках - стали 45Х,

50Х.

В автомобилестроении для изготовления валов, деталей рулево­го управления, сварных конструкций используют хромокремнемар-ганцевые стали 30ХГСА, 35ХГСА с прокаливаемостью до 30.40 мм, которые, обладая хорошим комплексом технологических и механиче­ских свойств, значительно дешевле хромоникелевых.

Высокими механическими свойствами и прокаливаемостью Д95 до 40.50 мм обладают хромоникелевые стали 40ХН, 45ХНМ, 50ХН. Их применяют для изготовления крупных деталей сложной конфигура­ции, работающих при воздействии вибрационных и ударных нагрузок.

Для деталей большого сечения до 100 мм и более используют хромоникелевые стали, содержащие до 3 % никеля и дополнительно легированные молибденом, ванадием, например, 38ХН3МФА, 45ХН2МФА. Эти стали относятся к мартенситному классу, закалива­ются на воздухе, мало склонны к хрупкому разрушению, хорошо ра­ботают при динамических нагрузках и в условиях пониженных тем­ператур. Даже в сечениях до 1000.1500 мм в сердцевине после закалки образуется бейнит, а после высокого отпуска - сорбит отпус­ка. Применяют их для деталей ответственного назначения, таких как валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали компрессоров, ре­дукторов и др. Однако они труднообрабатываемые резанием.

5