8875
.pdfб) по структуре (после охлаждения на воздухе) различают жаропрочные стали:
–перлитного;
–мартенситного;
–мартенситно-ферритного;
–ферритного;
–аустенитно-мартенситного;
–аустенитного классов.
Поэтому к группе конструкционных сталей следует относить пружинные,
клапанные стали, стали для турбинных лопаток, подшипников и др. Однако значительное различие в составе и свойствах названных сталей делает целесообразным выделение их в специальные группы; к конструкционным сталям обычно относят лишь улучшаемые и цементируемые стали.
Главной характеристикой конструкционных сталей являются их механические свойства при статических и динамических нагрузках. Иногда к ним предъявляют дополнительные требования, например, стойкость против коррозии, износостойкость и др. В отдельных случаях необходимыми свойствами обладает простая углеродистая сталь, а в других случаях конструкционную сталь необходимо легировать теми или иными элементами.
Конструкционные стали подразделяют в свою очередь по назначению на
строительные (главным образом низкоуглеродистые) и машиностроительные
(средне- и низкоуглеродистые). Низкоуглеродистые машиностроительные детали (углеродистые и легированные) с содержанием углерода до 0,20—0,25%
используют для изготовления деталей, подвергаемых цементации. Поэтому конструкционные стали этой группы принято называть цементуемыми.
Среднеуглеродистые (от 0,25–0,30 до 0,50–0,55%С) конструкционные машиностроительные стали приобретают хорошее сочетание механических свойств после закалки и высокого отпуска. Такую термическую обработку называют улучшением, поэтому эти стали составляют группу улучшаемых сталей.
81
Строительные стали
Низкое содержание углерода в строительных сталях вызвано тем, что эти стали должны хорошо свариваться. Кроме того, эти стали менее склонны к потере вязкости при понижении температуры и старении. Как правило, они содержат не более 2% легирующих элементов, и поэтому их относят к низколегированным конструкционным сталям. К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям – их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.
Стали для холодной штамповки
Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.
Цементируемые стали
Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие
0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ,
ЗОХГТ, 20ХГР).
Улучшаемые стали
К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению -
термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х),
хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые,
хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.
Высокопрочные стали
Высокопрочные стали – это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях - таких,
82
как 30ХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ.
Пружинные стали
Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами,
которые повышают предел упругости – кремнием, марганцем, хромом,
вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).
Подшипниковые стали
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений,
макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома
(ШХ9, ШХ15).
Автоматные стали
Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.), обрабатываемых на станках-автоматах. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а
также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а
также уменьшает трение между резцом и стружкой. Недостаток автоматных сталей – пониженная пластичность. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ,
АС20ХГНМ.
Износостойкие стали
Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки
83
землеройных машин, ковши экскаваторов и др.). Пример износостойкой стали -
высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали - легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях – нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость.
Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть:
– ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20X17Н2, 30X13,
40X13, 95X18 – для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);
–ферритной (15X28) – для растворов азотной и фосфорной кислот;
–аустенитной (12Х18Н10Т) - в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;
–мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфорной,
уксусной и молочной кислотах.
Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С)
фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионно-стойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие,
жаропрочные и криогенные.
Коррозионно-стойкие стали
Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин,
клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы,
трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.
Жаропрочные стали
Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают
84
достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы,
лопатки, диски и др.).
Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Co и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, йодом и др.
Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):
при 400-550°С – 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;
при 500-600°С – 15Х5М, 40Х10С2М, 20X13;
при 600-650'С – 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР,ХН60Ю,
ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.
Жаростойкие стали
Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах
(15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Cr
85
температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Сг до
+1300°С. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.
Криогенные стали
Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и
высоколегированными (Сг, Ni, Mn и др.) сталями аустенитного класса
(08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость,
которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости,
характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.
В электропечах выплавляют в основном легированные конструкционные качественные и высококачественные стали. Принадлежность к классу качественного и высококачественного металла определяется содержанием вредных примесей, в первую очередь фосфора и серы. Количество этих примесей ограничивается, и в зависимости от назначения стали должно быть не более 0,025–0,04% для каждой из них.
Свойства конструкционной стали характеризуются низкой прокаливаемостью, в связи с чем для них высокие механические свойства после термической обработки могут быть получены только в поверхностном слое.
Для получения необходимой структуры и увеличения прокаливаемости улучшаемых сталей в них вводят хром, никель, молибден, вольфрам, марганец,
кремний, ванадий и другие легирующие элементы.
Высокую ударную вязкость конструкционной стали придает никель. В
сочетании с хромом добавки никеля позволяют получать и глубокую прокаливаемость, которая определяет способность стали к равномерному улучшению свойств по всему сечению. Поэтому хромоникелевые улучшаемые
86
стали широко применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных изделий (оси, валы, муфты).
Недостатком хромоникелевых конструкционных улучшаемых сталей является их склонность к отпускной хрупкости, которая устраняется введением
0,20–0,40% молибдена. При этом повышаются также и прочностные свойства стали.
Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые конструкционные стали широко применяют для изготовления крупных цементуемых изделий
(шестерен, валов, шатунов). Карбиды хрома и молибдена придают цементированному слою высокую износостойкость, а никель улучшает прочность и пластичность этого слоя и уменьшает отрицательное влияние хрома и молибдена на повышение содержания в цементуемом слое углерода. В
результате высокая прочность цементированного слоя сочетается с высокой прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины.
Сейчас наблюдается тенденция к замене дефицитного молибдена вольфрамом. Присадка вольфрама существенно повышает предел прочности,
пластичности и вязкость конструкционных сталей, легированных с хромом и никелем, а также устраняет склонность к отпускной хрупкости. Вместо хромоникельмолибденовых конструкционных сталей широко используют стали
30Х2Н2ВА, 35X3BA, 40Х4ВА. Особенно широкое применение для изготовления тяжелонагруженных изделий получила конструкционная сталь
18Х2Н4ВА.
Имеется группа стали конструкционных марок, которые легируют алюминием. Применение для легирования стали алюминия обусловлено его большим сродством к азоту. Образуя в процессе изготовления стойкие нитриды, алюминий позволяет получать металл, свойства которого характеризируются очень высокой твердостью на поверхности (до HRC 70) и
высоким сопротивлением истиранию, причем при содержании алюминия 0,5— 1,5% это сочетается с хорошей вязкостью сердцевины.
87
Высокую прочность сердцевины термообработанных изделий из легированных алюминием сталей можно получить, если одновременно сталь легировать еще и хромом. Но при этом повышается склонность металла к отпускной хрупкости. Этот недостаток легированных хромом и алюминием сталей устраняют добавками молибдена или вольфрама и ванадия.
В СНГ получили распространение конструкционные стали трех марок,
содержащие от 0,4 до 1,1% Al: 38ХЮА, 38ХМЮА и 38ХВФЮА. Склонную к отпускной хрупкости марку 38ХЮА применяют для деталей, не подвергающихся высоким нагрузкам. Стали 38ХМЮА и 38ХВФЮА применяют для ответственных деталей турбиномоторостроения, работающих при температурах до 450° С (гильзы, цилиндры, толкатели, шестерни), а также изделий сложной конфигурации, от которых требуется высокая поверхностная твердость, износостойкость и повышенный предел выносливости.
Для изготовления рессор и пружин используют конструкционные стали,
легированные одним кремнием (1,5—2,0%). Повышая пределы прочности и текучести и способствуя образованию волокнистой структуры, кремний улучшает свойства рессор и пружин. Улучшению закаливаемости и уменьшению склонности к обезуглероживанию рессорно-пружинной стали способствуют добавки марганца. Кроме кремнемарганцовистых сталей, для этих целей применяют также хромокремнистые конструкционные стали.
Высокими пределами прочности и текучести в сочетании с устойчивостью против отпуска отличаются стали с кремнием, легированные дополнительно хромом и марганцем. Эти марки (20ХГСА, 3ОХГСА и др.), содержащие 0,90— 1,20% Si, используют вместо хромоникелевых и хромоникельмолибденовых.
Так как кремний увеличивает и износостойкость, такие стали применяют для изготовления шестерен, зубчатых колес, различных валов и осей.
Наиболее распространенным дефектом конструкционной стали являются флокены.
Очень распространены также дефекты, вызванные ликвационными явлениями. Эти дефекты в продольных темплетах слитка проявляются в виде
88
полос повышенной травимости или темных полос на серных отпечатках.
Обычно эти полосы наклонены с уширением книзу («усы»). Но иногда они имеют и противоположный наклон с уширением кверху.
На поперечных темплетах из катаных заготовок после травления и на серных отпечатках из таких темплетов ликвационная неоднородность проявляется в виде пятнистой ликвации или ликвационного квадрата.
Иногда в изделиях из конструкционных сталей выявляются дефекты в виде тонких нитей – волосовин, свидетельствующих о несплошности металла.
Располагаются эти линии в направлении течения металла при горячей обработке давлением. Волосовины встречаются на поверхности катаных или кованых заготовок или чаще во внутренних слоях металла, выходя на поверхность лишь в процессе изготовления деталей, в частности при ступенчатой обточке.
Поверхностные волосовины являются следствием разных причин,
связанных главным образом с образованием плохой поверхности слитков при разливке. Их удаляют зачисткой поверхности заготовок.
Внутренние волосовины образуются вследствие скопления неметаллических включений – продуктов раскисления, вытянутых в направлении течения металла в процессе горячей обработки давлением. Чаще всего это включения силикатов.
В слитках малоуглеродистой легированной конструкционной стали ряда марок (18Х2Н4ВА, 25Х2Н4ВА, 12ХНЗА и др.) часто образуются такие дефекты, как межкристаллические трещины. Эти дефекты конструкционной стали усадочного происхождения расположены обычно по оси слитка, но не доходят до его головной и нижней зон. На поперечных темплетах заготовок трещины после травления являются в виде извилистых линий – «пауков».
Перечисленные дефекты вызывают ухудшение качества металла, и для их предотвращения в процессе выплавки и разливки стали принимаются специальные меры.
89
Высококачественные конструкционные стали и область их применения К высококачественной конструкционной группе относятся практически
все виды легированных сталей, которые отличаются повышенными прочностными характеристиками. Для придания особых свойств их подвергают дополнительной обработке специальными методами, которые отражены в обозначении сталей в конце наименования марки. Они используются в тяжелом и легком машиностроении, применяются в различных строительных конструкциях, востребованы при изготовлении всевозможных деталей для сельхозтехники.
Метод выплавки определяет содержание вредных примесей (серы,
фосфора, кислорода и др.), а, следовательно, и свойства этих материалов.
ВД – вакуумно-дуговой переплав;
Ш – электрошлаковый переплав;
ВИ – вакуумно-индукционная переплавка;
СШ – обработка синтетическими шлаками.
По химическому составу стали высококачественные – это главным образом легированные стали. Содержание серы и фосфора в этих сталях не превышает 0,025% каждого. При обозначении высококачественной стали в конце марки приписывается буква А. Например, сталь 34ХН3М – качественная,
а сталь 34ХН3МА – высококачественная. Наиболее применяемые высокопрочные – марки машиностроительных (конструкционных) сталей: 30ХГСНА; 30ХГСНМА; ЭИ643; ВЛ-1; 30ХГСА; 35ХГСА.
Высококачественные конструкционные стали:
–Цементуемые и улучшаемые стали для станкостроения, автомобильной промышленности: валов, приводов, винтов;
–Азотированные стали для строения станков и установок (например,
составные части гидравлических установок);
– Износостойкие стали для подъёмно-транспортного оборудования и техники безопасности: цепи, зажимы, решётки;
90