§ 2. Стали для цементации

Требования к цементованным деталям предполагают наличие после термической обработки твердого и прочного поверхностного слоя, стойкого против износа и продавливания, а также наличие достаточно прочной и вязкой сердцевины. Для этих целей применяют стали с содержанием углерода 0,1—0,2%. В последние годы для тяжелонагруженных деталей тенденцией является применение сталей с повышенным содержанием углерода (0,25—0,3%), однако все же оптимальным следует считать содержание 0,18—0,22% С.

При выборе марки стали для цементации необходимо учитывать конкретные условия работы детали. Существует ряд уже известных положений к выбору: 1) сталь не должна содержать большое количество карбидообразующих элементов, так как в этом случае она обладает склонностью к большому пересыщению углеродом с образованием карбидов; 2) сталь не должна обладать большой прокаливаемостью; 3) легирование не должно приводить к большому количеству остаточного аустенита в слое после термообработки; 4) условный предел текучести сто,2 сердцевины должен быть достаточно высок во избежание пластической деформации сердцевины и продавливания слоя при эксплуатации. Металлургические факторы также в значительной степени влияют на работоспособность цементованных изделий, поэтому сталь должна быть очищена от вредных примесей и неметаллических включений, в ней должна отсутствовать полосчатость, она должна иметь хорошую обрабатываемость, малую склонность к короблению и деформации и т. д.

Можно назвать семь групп сталей, которые применяются для цементации.

I группа—углеродистые стали марок 08, 10, 15, 20, автоматные стали А12, А15, А20, а для неответственных деталей—стали обычного качества: ст.1 —ст.5. Из названных марок изготавливаются малонагруженные детали несложной конфигурации (σ_0,2=180—260 МПа — сердцевина, 50— 55 HRC—поверхность после цементации и закалки в воду).

II группа—хромистые стали марок 15Х, 20Х, 20Х3—применяются для средненалруженных деталей (σ_0,2= 500— 600 МПа, а_н = 60—70 Дж/см², 55—58 HRC). Несмотря на высокий уровень механических свойств, сталь 20Х3 обладает рядом недостатков: повышенной хрупкостью и короблением, склонностью к повышенному количеству остаточного аустенита в слое, склонностью к образованию шлифовочных трещин.

III группа—никелевые стали типа 13Н2А, 15Н5А и другие не нашли промышленного применения, хотя обладают хорошим сочетанием пластических и прочностных свойств сердцевины и поверхности.

IV группа — хромоникелевые стали типа 15ХН, 12ХНЗА, 20Х2Н4А применяются для средне- и тяжелонагруженных деталей, имеют хорошие сочетания свойств поверхности и сердцевины (σ_0,2= 600—1100 МПа, а_н=70—120 Дж/см², 58—60 HRC), однако вследствие склонности к образованию больших количеств остаточного аустенита имеют достаточно сложный режим термической обработки.

V группа—стали типа 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 12Х2НЗМ, обладающие наиболее высоким комплексом свойств (σ_0,2 =1000—1100 МПа, а_н=90—120Дж/см², 57—61 HRC). Применяются для ответственных тяжелонагруженных изделий (коленчатые валы, шестерни, валы турбин и т. д.).

VI группа сталей наиболее обширна по номенклатуре и широко применяется. Это в основном экономно легированные стали, не имеющие в своем составе больших количеств дефицитного никеля. К этой группе относятся стали 25— ЗОХГТ, 25—ЗОХГМ, 20—ЗОХГР, 20ХГНР, 15—20Х2ГНТРА, 14ХГСН2МА и др. Все они применяются для средне- и высоконагруженных изделий и обладают достаточно высоким комплексом механических свойств (σ_0,2= 800—1200 Мпа, а_н= 60—100 Дж/см², 58—62 HRC).

VII группа составляет высоколегированные стали (с хромом, никелем и другими элементами). Это теплоустойчивые, жаропрочные, коррозионно-стойкие и т. д. стали специального назначения, подвергающиеся цементации для упрочнения поверхности. Сюда же можно отнести и ряд инструментальных сталей, также подвергающихся иногда поверхностному науглероживанию.