Легированные конструкционные стали.

В различных разделах курса «Термическая обработка металлов», имеющих отношение к сплавам на железной основе, сравнивались углеродистые и легированные стали. Здесь уместно сравнить особенности свойств легированных и углеродистых сталей, так как именно это будет определять условия их конкретного использования.

1. Положительные особенности легированных сталей обнаруживаются преимущественно в термически обработанном состоянии. Поэтому из легированных сталей изготавливаются детали, подвергаемые термической обработке.

2. В термически обработанном состоянии (закалка + отпуск) все легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям σ_т по сравнению с углеродистыми сталями при равном содержании углерода.

3. Большинство легирующих элементов стабилизируют аустенит (увеличивают его устойчивость). В связи с этим при прочих равных условиях прокаливаемость легированных сталей выше, чем углеродистых. Поэтому нагруженные детали крупного сечения следует изготавливать из легированной конструкционной стали, выбирая при этом сталь такого состава, которая в заданном сечении прокаливается насквозь.

4. В связи с тормозящим действием легирующих элементов на распад аустенита выявляется и другая положительная особенность легированных сталей - возможность применения при закалке «мягких» охладителей (масла).

 

Задача № 5. Какие преимущества имеет закалка в масле по сравнению с закалкой в воде?

 

Ответ: 1) уменьшаются фазовые и термические напряжения; 2) повышается твердость; 3) повышается вязкость.

Закалка в масле в значительной степени снижает брак по закалочным трещинам и короблению. Поэтому при необходимости проведения термической обработки изделий сложной формы, даже когда эти изделия имеют небольшое сечение, применение легированных сталей предпочтительно, так как уменьшается вероятность брака.

6. Повышение запаса вязкости и сопротивления хладноломкости легированной стали после закалки и отпуска происходит за счет легирования (особенно никелем), вследствие чего увеличивается эксплуатационная надежность деталей машин.

7. В высокоотпущенном состоянии влияние легирующих элементов на хрупкую прочность определяется тем, как эти элементы влияют на коагуляцию карбидов и на ферритную фазу. Особенно благоприятное воздействие оказывает никель, резко снижающий порог хладноломкости. Такое влияние никеля имеет место и в сложнолегированных сталях, в составе которых присутствует этот элемент. Влияние легирования на температурный порог хладноломкости среднеуглеродистых сталей можно видеть из табл. 4.

Однако легированные стали имеют и специфические недостатки.

1. Многие легированные стали подвержены обратимой отпускной хрупкости.

2. В высоколегированных сталях после закалки имеется повышенное количество остаточного аустенита, что снижает твердость и сопротивление усталости. Для устранения А_ост требуется дополнительная обработка.

3. Легированные стали склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала.

Поэтому при кристаллизации дендриты обедняются легирующими элементами, междендритный материал обогащается ими. После ковки, прокатки таких сталей образуется характерная строчечная структура, и увеличивается неоднородность свойств стали вдоль и поперек направления деформирования. Сталь с такой структурой обладает также плохой обрабатываемостью резанием.

 

Задача № 6. Что необходимо сделать, чтобы при прокатке не образовалась строчечная структура?

 

Ответ: 1) подвергнуть слитки диффузионному отжигу; 2) подвергнуть прокат отжигу; 3) подвергнуть слитки неполному отжигу.

 

4. Весьма опасным пороком легированных сталей являются флокены (особенно в сталях, легированных никелем). Флокены представляют собой светлые пятна в изломе. В поперечном сечении флокены обнаруживаются в виде мелких трещин с различной ориентацией. Причиной возникновения флокенов является выделение водорода, растворенного в стали.

Растворимость водорода в стали уменьшается с понижением температуры. При медленном охлаждении стали, водород, выделяющийся из нее, успевает продиффундировать через толщу слитка и флокены не образуются. При сравнительно быстром охлаждении водород не успевает продиффундировать и остается в стали, создавая большие внутренние давления, приводящие к образованию трещин.

В случае если в стали происходят также фазовые превращения, которые протекают разновременно в различных участках слитка из-за неоднородности состава, то появляются дополнительно еще и фазовые напряжения, усугубляющие флокенообразование. Мерами борьбы с флокенами являются: уменьшение содержания водорода в стали при ее выплавке, медленное охлаждение слитков в районе температур флокенообразования (от 200 °С и ниже), а также изотермический отжиг слитков. Сталь, в которой флокены уже образовались, можно исправить прокаткой или ковкой заготовки на более мелкие сечения. При горячей обработке давлением флокены свариваются. Флокено - чувствительные стали отмечены знаком «+» в табл. 4.

5. Легированные стали стоят дороже углеродистых. Кроме того, стали, содержащие никель, являются дефицитными. В табл. 3 и 4 в графе «Индекс стоимости» приводятся данные об относительной стоимости некоторых легированных сталей. За единицу стоимости принята стоимость стали Ст3.

Основные принципы легирования конструкционных сталей. При ознакомлении с легированными сталями следует сопоставлять их свойства со свойствами углеродистых сталей и между собой, используя табл. 2, 3 и 4.

Формы табл. 3 и 4 в максимальной степени приближены к формам таблиц, приведенным в справочниках, где свойства стали указываются в зависимости от сечения. В табл. З и 4 указывается также прокаливаемость стали при закалке в воде и в масле.

В табл. 3 и 4 приводятся свойства наиболее распространенных низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Ниже приводятся общие направления влияния легирующих элементов на свойства сталей.

В качестве конструкционных машиностроительных сталей весьма часто используются стали, легированные хромом (0,8... 1,2 % Сг). Они имеют более высокую прокаливаемость, чем углеродистые стали.

Хром способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладноломкости хромистых сталей составляет 0 °С... -100 °С. В обозначении порога хладноломкости первое значение температуры соответствует температуре, выше которой излом стали совершенно вязкий, а ниже температуры второго значения (-100 °С) - излом полностью хрупкий. Ниже рассматривается влияние дополнительного легирования на свойства хромистых сталей.

 

 

 

 

 

 

Для повышения прокаливаемости хромистые стали дополнительно легируют бором (В ~ 0,003 %). Такие стали имеют порог хладноломкости на уровне соответствующих углеродистых сталей (+20 ⁰C... -60 ⁰C), так как бор повышает порог хладноломкости.

Повышение прокаливаемости достигается также введением в
хромистые стали марганца (D_95м стали 40ХГР порядка 25 мм). Однако марганец содействует росту зерна, повышает порог хладноломкости до +40 ⁰C... -60 ⁰C.

Для измельчения зерна в состав хромомарганцевых сталей
вводится титан (~ 0,1 %). Стали 18ХГТ, 30ХГТ являются распространенными и служат для изготовления относительно небольших шестерен.

Введение в хромистые стали молибдена (0,15... 0,45 %) повышает прокаливаемость, понижает порог хладноломкости до-20... —120 ⁰C; Mo повышает статическую, динамическую и усталостную прочность стали. Mo устраняет склонность стали к внутреннему окислению при нагреве ее в среде эндогаза. Ванадий в хромистых сталях (0,1... 0,3 %) измельчает зерно и повышает вязкость.

Введение в хромистые стали никеля сильно повышает прокаливаемость, понижает температурный порог хладноломкости тем больше, чем больше никеля в составе стали. Дополнительная добавка молибдена снижает отпускную хрупкость, к чему склонны хромистые стали, содержащие никель. Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Но никель – дефицитный металл, поэтому на практике ограничивают использование сталей, содержащих никель.

Легированием хромомарганцевых сталей кремнием создают
стали под называнием хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Эта группа
сталей имеет высокий комплекс свойств прочности и вязкости, хорошо сваривается, штампуется и обрабатывается резанием.

Для повышения прокаливаемости и механических свойств
(вязкости) хромансили дополнительно легируют никелем (сталь
ЗОХСНА). Высокий комплекс прочности и вязкости имеют детали
из хромансилов также после изотермической закалки (сталь ЗОХГС
после изотермической закалки при 280...310⁰ C имеет (σ_в = 165 кГ/мм², σ_0,2 = 130 кГ/мм², δ=9%, ψ=40% и α_н = 4 кГ·м/см²).

Эти стали широко используются в самолетостроении. До 40-х гг.
из стали 30ХГСА изготавливались все наиболее ответственные детали самолетов (шасси, лонжероны и др.). С появлением реактивных
самолетов и сверхтяжелых лайнеров свойства этой стали перестали удовлетворять требованиям промышленности, так как нагрузка на
материал значительно увеличилась. Так, при посадке современного
самолета стойки шасси принимают ударную нагрузку, равную
2... 3 весам самолета. Поэтому основным материалом в современном самолетостроении являются никелевые хромансили типа
ЗОХГСНА.

 

 

8. Для наиболее ответственных деталей применяются сложнолегированные хромо-никель-молибденовые стали типа 18Х2Н4В(М)А и
40ХНМА.

9. С повышением содержания углерода во всех сталях повышается порог хладноломкости, что необходимо иметь в виду при выборе
стали.

Термическая обработка конструкционных сталей. По термической обработке конструкционные стали разделяются на: цементуемые (термообработка: после цементации закалка + низкий отпуск), улучшаемые (термообработка: закалка + высокий отпуск). Особую группу составляют пружинные стали (термообработка: закалка + средний отпуск).

Температурный режим закалки определяется значением критических точек стали и устанавливается по данным справочников. Охлаждение при закалке деталей из углеродистых и малолегированных сталей проводится в воде (лучше в растворахNaOH). Охлаждение сталей с повышенной прокаливаемостью, как правило, осуществляется в масле. Для некоторых сталей, например 18Х2Н4В(М)А, которые являются сталями мартенситного класса, прокаливаемость практически на любые сечения может быть достигнута и при охлаждении на воздухе. Для сталей, склонных к обратимой отпускной
хрупкости, рекомендуется повышенная скорость охлаждения от высоких температур отпуска.

 

Задача № 7. Какую из приведенных в ответе сталей следует использовать для изготовления весьма ответственной детали, работающей в полевых условиях, если после отпуска на 600⁰C все стали подходят по механическим свойствам (σ_т ,δ и др.) (см. табл. 4)?

 

О т в е т: 1) 4OX; 2) 40ХГН; 3) 34ХНМ.

 

Задача № 8. При какой температуре следует проводить высокий
отпуск стали 40ХГ, чтобы избежать обратимой отпускной хрупкости?

 

Ответ: 1) 450⁰C; 2) 600⁰C; 3) 500⁰C.