Маркировка легированных сталей

В начале марки ставится число, указывающее содержание углерода в сотых долях процента. Затем идут буквы, обозначающие легирующие элементы. За каждой буквой следует цифра: содержание этого легирующего элемента в целых процентах. При содержании 1-1,5 % цифра не ставится. Буква «А» в конце марки означает пониженное содержание вредных примесей.

А – азот (в середине марки) К – кобальт Т – титан

Б – ниобий Н – никель Ф – ванадий

В – вольфрам М – молибден Х – хром

Г – марганец П – фосфор Ц – цирконий

Д – медь Р – бор Ч – редкоземельные эл.

Е – селен С – кремний Ю – алюминий

«А» в начале марки означает автоматную сталь (для скоростной обработки на станках-автоматах).

Строительные низколегированные стали

Эти стали содержат не более 0,22 % С и небольшое количество недефицитных легирующих элементов: Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, Ti. Никель и медь добавляют потому, что они понижают порог хладноломкости и увеличивают коррозионную стойкость.

Марки: 09Г2С, 14Г2, 15ГФ, 15ХСНД, 10ХНДП. Низкое содержание углерода необходимо для хорошей свариваемости. Они прочнее углеродистых сталей. Имеют низкий порог хладноломкости. Их применение позволяет экономить металл в строительных конструкциях.

Поставляют в виде листов и сортового фасонного проката, иногда в нормализованном состоянии.

Есть сталь 16Г2АФ – она содержит ванадий и азот, поэтому в ней образуется карбонитрид ванадия, что способствует сохранению очень мелкого зерна (11-12 балл) и низкому порогу хладноломкости.

Примеры применения:

Мосты для автотранспорта – 15ХСНД, 16Г2АФ; сварные резервуары и ёмкости – 10Г2С1, 12Г2СМФ; трубы большого диаметра – 17ГС в нормализованном состоянии, для менее ответственных труб применяют горячекатаную сталь.

Цементуемые стали

Содержат 0,15-0,25 % С, суммарное содержание легирующих элементов – не более 6-7 %.

После цементации, закалки и низкого отпуска цементованный слой должен иметь твердость 58-62 HRC, а сердцевина – 30-42 HRC.

Для мелких деталей простой формы применяют хромистые стали: 15Х, 20Х, 20ХФ. Они прочнее аналогичных углеродистых.

Для крупных, ответственных деталей, работающих с динамическими нагрузками, используют стали с никелем: 12ХН3А, 12Х2Н4А.

Сталь 18Х2Н4ВА прокаливается практически в любом сечении, при любой скорости охлаждения в ней получается мартенситная структура. Ее порог хладноломкости –80 С: выше этой температуры излом вязкий. Она предназначена для крупных тяжело нагруженных деталей (например, коленвал тепловозного двигателя).

Для средненагруженных зубчатых колес в автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ.

Улучшаемые стали

Это стали для очень широкого круга деталей: коленчатых валов, осей, штоков, шатунов, деталей турбин и компрессоров. Содержат 0,3-0,5 % С.

Термообработка: закалка с высоким отпуском. Структура – сорбит. Имеют высокий предел текучести, предел выносливости, ударную вязкость, сопротивление росту трещины. Механические свойства зависят от термообработки, особенно – от температуры отпуска.

Средненагруженные детали, работающие без больших динамических нагрузок, делают из сталей 30Х, 40Х, 50Х, 40ХФА.

Для ответственных сварных конструкций применяют хромансили – 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС. Они имеют высокую прочность и хорошую свариваемость.

Стали с никелем обладают высокой прокаливаемостью, пределом текучести и ударной вязкостью. Это 40ХН, 50ХН, 40ХН2МА. Они работают при динамических нагрузках, при отрицательных температурах. Из них делают валы и роторы турбин, детали компрессоров и редукторов.

Автоматные стали

Это стали для массового производства мелких неответственных деталей (крепеж и т. п.). Они позволяют проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и повысить качество поверхности.

Стали А12, А20, А40Г содержат повышенное количество серы (до 0,3 %), фосфора (до 0,05 %), марганца. Дело в том, что сульфиды марганца способствуют образованию короткой и ломкой стружки и оказывают смазывающее действие на резец. Фосфор дополнительно увеличивает твердость и охрупчивает сталь. В массовом производстве важно, чтобы стружка была мелкой и сыпучей (стружка надлома, а не скалывания или сливная), поэтому пришлось пойти даже на ухудшение механических свойств стали.

Легируют автоматные стали также Pb (АС14), Se, Te, Ca, но все эти добавки понижают конструкционную прочность стали. Зато скорость резания увеличивается на 40 % при неизменной стойкости инструмента. Или можно увеличить стойкость в 2-7 раз при постоянной скорости резания.

Рессорно-пружинные стали

Они должны иметь высокий модуль упругости E, предел упругости σ_у и предел выносливости σ_-1. (Надо не забывать, что именно модуль упругости определяет жесткость материала, его сопротивление упругой деформации: E = σ/δ.)

Рессорно-пружинные стали имеют повышенное содержание углерода по сравнению с другими конструкционными сталями: 0,5-0,7 %.

Термообработка: закалка и отпуск на троостит (420-500 С), либо изотермическая закалка на нижний бейнит.

Мелкие пружины делают из углеродистых сталей 65–85 и 60Г–70Г.

Более крупные пружины и рессоры (толщиной до 18 мм) – из сталей 55С2, 60С2, 70С3А.

Для ответственных пружин и рессор автомобилей применяют стали 50ХФА, 50ХГФА.

Для тяжелонагруженных, крупных, особо ответственных пружин – 60С2ХА и 60С2Н2А.

Выбор легирующих элементов: кремний упрочняет феррит, марганец увеличивает прокаливаемость, хром и ванадий уменьшают склонность к росту зерна при нагреве, никель позволяет работать в условиях динамических нагрузок.

Для повышения предела выносливости готовые пружины и рессорные листы наклепывают дробеструйной обработкой. В поверхностном слое создаются напряжения сжатия, что повышает σ_-1 в 1,5-2 раза.

Шарикоподшипниковые стали

Подшипники качения – ответственные детали станков, автомобилей, электродвигателей, определяющие их точность и производительность. Шарики или ролики, катясь по наружному и внутреннему кольцам, испытывают истирание и контактную усталость. Поэтому главные свойства шарикоподшипниковых сталей – высокая твердость, износостойкость и сопротивление контактной усталости.

Для достижения этих свойств нужна высокоуглеродистая хромистая сталь ШХ15 (1 % С и 1,5 % Cr). Для крупных колец используют сталь ШХ15СГ (1 % С, 1,5 % Cr, 0,5 % Si и 1,5 % Mn): она прокаливается на большую глубину.

Типичная причина отказа узла – разрушение шариков или роликов и усталостное выкрашивание их поверхности. Поэтому очень важно, чтобы сталь не содержала неметаллических включений – источников разрушения. Для этого применяют электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав: ШХ15-Ш, ШХ15-ВД.

Термообработка заключается в закалке с охлаждением в масле и низком отпуске. Структура: мартенсит и мелкие карбиды. Твердость колец и роликов должна составлять 60-65 HRC, шариков – 62-66 HRC.

Износостойкие стали

Это стали для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов: траков гусеничных машин, ковшей экскаваторов, крестовин железнодорожных рельсов.

В таких условиях применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л (1,1 % С и 13 % Mn). После закалки в воде эта сталь имеет структуру аустенита, она мягкая и вязкая. Но в процессе эксплуатации при ударных нагрузках в аустените возникает множество дефектов, и он упрочняется. Кроме того, под действием напряжений происходит мартенситное превращение. Твердость с 200 HB возрастает до 600 HB.

Но в условиях чисто абразивного износа эта сталь неэффективна. Применяют карбидные сплавы (до 4 % С, много Cr, W, Ti), в структуре которых до 50 % составляют карбиды. Но это уже не стали. Их применяют в литом виде и как наплавочные материалы.

Лекция 17