3.2.2 Низкоуглеродистые стали для цементации

Для изготовления деталей, которые работают при условиях трения, ударных и переменных нагрузок, применяют низкоуглеродистые стали, которые содержат до 0,2 % углерода и поддаются цементации с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском. Стали для цементации подразделяются на три группы:

- углеродистые стали с сердцевиной, которая не упрочняется во время последующей термической обработки;

- низколегированные стали с незначительно упрочняемой сердцевиной;

- легированные стали с сильно упрочняемой сердцевиной при термической обработке.

К сталям первой группы относятся стали 10, 15, 20. В результате низкой прокаливаемости их применяют для малоответственных деталей с неупрочняемой сердцевиной. Даже после закалки с охлаждением в воде слои, которые расположены под цементированным слоем, имеют ферритно-перлитную структуру, и, соответственно, низкую твердость и прочность.

К сталям второй группы относятся низколегированные стали 20Х, 20ХР, 20ХН, которые после цементации подвергают закалке в масле, что позволяет получить бейнитные структуры по сечению детали и следующие механические свойства: s_в до 750 МПа, δ до 12%, КСU - 0,6...0,7 МДж/м².

К сталям третьей группы относятся стали типа 20ХГР, 20ХНР, 12Х2Н4, 18Х2НВ, 30ХГТ, которые после охлаждения в масле закаливаются на мартенсит. Если после закалки в цементированном слое сохраняется большое количество остаточного аустенита, то такие стали подвергают обработке холодом, а затем низкому отпуску.

3.2.3 Среднеуглеродистые стали для улучшения

Эти стали содержат 0,3...0,5%С и легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний в общем количестве не более 3-5%), а также до 0,3% элементов, которые способствуют получению мелкого зерна аустенита (ванадий, титан, ниобий, цирконий).

Наибольшее распространение для машиностроения получили конструкционные стали, легированные 0,8...1,2% Cr. Они имеют более высокую прокаливаемость, чем углеродистые стали. Хром способствует получению в стали высокой и равномерной твердости. Температурный интервал хладноломкости хромистых сталей 0...-100^оС. При 0^оС наблюдается вязкий излом, а при -100^оС излом становится полностью хрупким.

Хромистые стали легируют дополнительно:

- марганцем для повышения прокаливаемости, но марганец способствует росту зерна и, как следствие, повышает порог хладноломкости;

- молибденом (0,15 - 0,45%) для повышения прокаливаемости и снижения порога хладноломкости, а также для повышения статической, динамической и усталостной прочности стали;

- ванадием (0,1 ...0,3%) для уменьшения размера зерна и повышения вязкости;

- бором (до 0,003%) для повышения прокаливаемости, но при этом повышается порог хладноломкости;

- титаном (до 0,1%) для измельчения зерна.

Введение в хромистые стали никеля значительно повышает их прокаливаемость. Дополнительная добавка молибдена в хромоникелевые стали снижает отпускную хрупкость, к которой склонны хромоникелевые стали.

Термическая обработка таких сталей включает закалку в масле и высокий отпуск (550 - 650°С). Нагрев для закалки проводят до температуры на 30...50°С выше А_С3. Для большинства сталей это температура около 850°С.

Среднеуглеродистые легированные стали при закалке охлаждают в масле, что дает возможность получать мартенситную структуру при значительно меньшем уровне внутренних напряжений.

При высокотемпературном отпуске (550 - 650°С) среднеуглеродистых сталей следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска, которое предотвращает развитие отпускной хрупкости второго рода. В тех случаях, когда после отпуска невозможно осуществить быстрое охлаждение (например, для крупногабаритных деталей), следует использовать стали, легированные молибденом, который замедляет развитие отпускной хрупкости второго рода.

Улучшаемые стали могут быть условно разделены на 5 групп. С ростом номера группы растет количество легирующих элементов, увеличивается прокаливаемость и сопротивление хрупкому разрушению.

К первой группе относятся углеродистые стали 35, 40, 45. Максимальное сечение деталей ( Д_кр.), которые прокаливаются на мартенсит, не превышает 10 мм. Переходная температура хладноломкости (t₅₀,^оС) равняется -20^оС.

Вторую группу составляют хромистые стали марок 30Х и 40Х. Для этих сталей Д_кр и t₅₀,^оС составляют, соответственно, 20 мм и – 40^оС. Недостатком сталей этой группы является склонность к отпускной хрупкости второго рода.

Для сталей третьей группы (30ХМ, 40ХГ, 40ХГТ) критический диаметр увеличивается до 25 мм, а переходная температура хладноломкости снижается до -50^оС. В эти стали для повышения прокаливаемости дополнительно вводят марганец, а для снижения отпускной хрупкости – молибден. Такие стали, легированные, кроме этого, еще и кремнием, называют хромансилами (20ХГС, 30ХГС). Эти стали хорошо свариваются, имеют прочность s_в = 1200 МПа и ударную вязкость КСU = 0,4 МДж/м².

Четвертую группу составляют хромоникелевые стали, которые содержат до 1,5% Ni (40ХН, 40ХНМ). Критический диаметр в этих сталях превышает 40 мм, а переходная температура хладноломкости достигает -70^оС.

К пятой группе относят комплекснолегированные стали, которые содержат до 4%Ni (38ХН3М, 38ХН3МФА). Критический диаметр этих сталей больше 100 мм, а t₅₀,^оС - ниже -100^оС. Из этих сталей изготавливают сложные по конфигурации и большие по сечению детали, которые закаливаются в масле.