Урок 3. ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ. МАРКИРОВКА И ПРИМЕНЕНИЕ

Вопросы для повторения:

1. Где применяют конструкционные стали обыкновенного качества?

2. Как маркируются конструкционные стали?

3. От чего зависит штампуемость стали?

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных количествах с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами.

Стали, в которые введены легирующие элементы, называются легированными сталями.

Маркировка конструкционных легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр. Первые две цифры для конструкционных марок стали обозначают содержание углерода в сотых процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1%, ставится после соответствующей буквы в целых единицах (проценты), например:

- марка 12XH3 означает, что в стали содержится в среднем 0,12%С, около 1% хрома и около 3% никеля;

- марка 18XГT в среднем содержит около 0,18 углерода, около 1% хрома, около 15% марганца и около 0,1% титана;

- марка 38Х около 0,38% углерода и около 1% хрома.

Буква А в конце марки определяет высококачественную сталь с пониженным содержанием в ней вредных примесей фосфора и серы. Например, марка стали для азотирования 38ХМЮА расшифровывается так: в среднем около 0,38% углерода, около 1% хрома, около 1% алюминия, около 0,2% молибдена, до 0,03% серы, до 0,035% фосфора.

Некоторые марки легированной стали в соответствующих ГОСТах выделены в особые группы и обозначаются буквами, которые ставятся впереди:

- Ш - шарикоподшипниковая сталь;

- Р - быстрорежущая сталь;

- Э - сталь электротехническая тонколистовая кремнистая;

- Е - сталь для постоянных магнитов.

Высоколегированные стали сложного состава иногда обозначаются упрощенно по порядковому номеру разработки и освоения стали на металлургическом заводе. Например, завод "Электросталь" маркирует свои стали буквами ЭИ и ЭП и порядковыми номерами, например, ЭИ 437А, ЭП 54 и т.д.; по этим обозначениям судить о химическом составе стали нельзя.

В зависимости от требований по прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств в машиностроении используют большое количество различно легированных сталей. Марки легированных конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543 - 71, ряд сталей изготовляется также по техническим условиям. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются хром, марганец, никель, молибден, бор, ванадий и др. Содержание углерода в них обычно находится в пределах 0,25...0,50 %.

Хромистые стали (30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 35Х2АФ, 40Х2АФЕ) являются наименее легированными и обеспечивают прокаливаемость в несколько больших сечениях (до 20...25 мм в масле), чем соответствующие углеродистые стали. Хром не оказывает сильного влияния на разупрочнение при отпуске, однако он увеличивает склонность стали к отпускной хрупкости. Поэтому изделия из этих сталей после высокого отпуска следует охлаждать в масле или воде, недопустимо охлаждение после отпуска с печью. Легирование хромом не увеличивает склонности к росту зерна аустенита. Однако с целью получения мелкозернистой структуры в них вводят ванадий (40ХФ), который, находясь в карбидах, препятствует росту зерна, а при отпуске задерживает разупрочнение. Поэтому для получения одинаковой прочности сталь 40ХФ при улучшении необходимо отпустить на 30…50ºС выше, чем сталь 40Х. Это имеет большое значение для более полного снятия остаточных напряжений в изделиях и повышения их предела усталости.

Значительные преимущества имеют хромистые стали, упрочненные нитридами: 35Х2АФ и 40Х2АФЕ. Эти стали мелкозернистые (зерно № 10...12), глубокопрокаливающиеся, имеют высокие механические свойства как после закалки и низкого отпуска (200 ºС), так и после улучшения (отпуск 600...650 ºС). Такие свойства обусловлены легированием сталей азотом и нитридообразующими элементами — ванадием и алюминием. Для улучшения обрабатываемости резанием стали легируют селеном (40Х2АФЕ).

Марганцовистые стали (30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2) имеют несколько большую прокаливаемость, чем хромистые. Однако марганец усиливает склонность зерна к росту, поэтому эти стали чувствительны к перегреву и могут иметь пониженную ударную вязкость, особенно при отрицательных температурах. Эти стали можно применять при обработке ТВЧ и для изделий, несущих небольшие ударные нагрузки.

Хромомарганцевые стали (25ХГТ, 30ХГI, 40ХГТ, 35ХГФ и др.) обладают повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и соответственно прокаливаемостью (до 40 мм). С целью получения мелкозернистой структуры в ряд сталей вводят небольшие добавки титана (0,03...0,09 %). Легирование ванадием (сталь 35ХГФ) также позволяет получить мелкозернистую структуру и повысить температуру отпуска на заданную твердость. Сталь 35ХГФ обеспечивает замену хромоникелевой стали 40ХН и применяется, как другие стали этой группы, для машиностроительных деталей ответственного назначения (валы, шатуны, шестеренки и т.д.).

Хромокремнистые и хромокремнемарганцовистые стали (33XC, 38XC, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА и др.) обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Широкое распространение (особенно в авиастроении) получили стали типа 30ХГСА (хромансиль), обладающие хорошей свариваемостью. Хромансили применяют после закалки и низкого отпуска или после улучшения (отпуск 520...540 ºС). Недостатком сталей хромансиль является относительно небольшая прокаливаемость (до 25...40 мм), сильная склонность к отпускной хрупкости 1 и 11 рода, склонность к обезуглероживанию (последнему способствует кремний).

Хромомолибденовые стали (30ХМ, 35ХМ, 38ХМ, 30ХЗМФ, 40ХМФА и др.), обладая хорошей прокаливаемостью, имеют высокий комплекс механических свойств и мало склонны к отпускной хрупкости благодаря молибдену. Особенностью хромомолибденовых сталей является способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Сталь 30ХЗМФ имеет прокаливаемость и свойства, подобные таковым хромоникелевой стали 30XH2MA. Благодаря ванадию сталь 30ХЗМФ является мелкозернистой.

Сталь имеет высокие механические свойства при низком отпуске -200ºС (σ_в = 1700 МПа, KCU = 0,6 МДж/м²). С повышением температуры отпуска вплоть до 500ºС ударная вязкость не изменяется, а начиная с температуры 550ºС и выше резко возрастает. Так, при отпуске на 550ºС сталь 30ХЗМФ имеет следующие свойства: σ_в = 1300 МПа, σ_т = 1200 МПа, δ = 13 %, φ= 60 %, KCU = 1,0 МДж/м² что значительно превышает гарантируемые свойства после контрольной обработки. Стали, подобные 30ХЗМФ, в последнее время находят применение во многих странах для изготовления наиболее ответственных изделий сечением до 80...100 мм (коленчатые валы, тяжелонагруженные оси, баллоны высокого давления и т. д.).

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали (20XH3A, 20Х2НЧА, 40ХН, 30XH3A и др., 20ХН2М, 30ХН2М, 38X2H2MA, 40ХН2МА, 38XH3MA, 18Х2Н4МА и др.) являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий (сечением порядка 100...1000 мм). Уникальные свойства хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей достигаются вследствие их чрезвычайно высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости.

Высокая прокаливаемость сталей обусловлена сильным совместным влиянием хрома и никеля или хрома, никеля и молибдена на повышение устойчивости аустенита. Поэтому такие стали закаливают в больших сечениях, обеспечивая после закалки в масле получение мартенсита и нижнего бейнита в центре крупных изделий. В сечениях до 80...100 мм некоторые стали обеспечивают получение таких структур и при охлаждении на воздухе.

Высокая вязкость сталей обусловлена, прежде всего, влиянием никеля на параметры, характеризующие склонность к хрупкому и вязкому разрушениям. Ранее отмечалось, что никель является элементом, который понижает порог хладноломкости α-железа. Это качество никеля ярко проявляется в улучшаемых конструкционных сталях. Большинство исследователей считают, что чем выше содержание никеля, тем ниже порог хладноломкости закаленной и высокоотпущенной стали.

Однако хромоникелевые стали имеют существенный недостаток: они сильно склонны к обратимой отпускной хрупкости. Молибден и вольфрам значительно ослабляют склонность к развитию отпускной хрупкости, поэтому хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали практически лишены этого недостатка. Молибден и вольфрам взаимозаменяемы в таких сталях, последние могут изготовляться с полной или частичной заменой молибдена на вольфрам из расчета: одна часть молибдена заменяется тремя частями вольфрама.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение легированных сталей.

2. С какой целью легируют стали?

3. Как маркируются конструкционные легированные стали?

Поиск по сайту: