Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения

Основным потребительским требованием к конструкционным машиностроительным сталям и сплавам общего назначения является наличие определенного комплекса механических свойств с их задан­ным распределением по сечению изделия. Комплекс механических свойств, если не предъявляются какие-либо специальные требования, включает характеристики прочности, пластичности, удельной работы деформации и разрушения (ударной вязкости).

По химическому составу эти стали представляют собой (ГОСТ 1050—88 и ГОСТ 4543—71) стали:

мало- и среднеуглеродистые — 0,05...0,65 % С;

низко- и среднелегированные — Mn, Si, Cr, Ni и др.

Большинство конструкционных легированных сталей относит­ся к перлитному классу, а в равновесном состоянии — к классу доэвтектоидных. Легирующие элементы определяют преимущественно закаливаемость и прокаливаемость и, в меньшей степени, механиче­ские свойства (кроме никеля и молибдена, улучшающих вязкость). Наиболее широко применяют марки 30ХГСН2А, 30ХГСН2МА. 25Х2ГНТРА, 30Х2ГСН2ВМ и 40ХН2СМА.

Конструкционные машиностроительные стали и сплавы обще­го назначения классифицируются по способу упрочнения как стали: без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слое и упрочняемые по всему объему.

Рекомендуемыми режимами термической обработки конструк­ционных углеродистых качественных сталей в зависимости от усло­вий эксплуатации изделий являются нормализация, закалка с отпус­ком, поверхностная закалка с отпуском.

Стали (08кп, 10кп, 15кп, 08, СтЗ), используемые без термической обра­ботки, поставляют, главным образом, в листах. Они должны иметь пони­женное содержание углерода и кремния, что обеспечивает их хорошую де­формируемость (штампуемость, вытяжку, выдавливание и др.) в холодном состоянии. Штампуемость листовой стали ухудшается при наличие в ней крупного и неоднородного по размерам зерна, третичного цементита и других структурных неоднородностей.

При требовании высокой прочности поверхностного слоя используют нитроцементуемые, цементуемые, азотируемые, а также закаливаемые и с пониженной прокаливаемостью (упрочняемые в поверхностном слое) ста­ли. Так, в качестве цементуемой углеродистой стали используются качест­венные и высококачественные стали марок 15, 20. После цементации, за­калки в воде и низкого отпуска поверхность стали имеет высокую твер­дость (HRC 58...62), обеспечиваемую мартенситной структурой, а сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняется ферритно-перлитная микроструктура.

Легированные цементуемые стали (15Х, 15ХА, 15ХФ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХГНР, 18ХГТ и др.) применяют для деталей, более сильно на­пряженных, а также более крупных размеров и сложной формы - валы, оси, шестерни и др. Легирование в этом случае обеспечивает лучшую прокаливаемость при более прочной сердцевине. В сердцевине образуются струк­туры бейнита или низкоуглеродистого мартенсита (HRC 30...45).

Для получения высоких прочностных свойств по всему объему изделия применяют улучшение, то есть закалку в масле, и высокий (550...650 °С) от­пуск. При такой обработке улучшаемая сталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетание прочности и вязкости. К улучшаемым относятся стали, содержащие ~0,35% С (углеродистые и ма­лолегированные) и 0,2...0,3% С (средне- и высоколегированные).

Способность упрочняться на ту или иную глубину при одинаковом содержании углерода определяется влиянием легирующих элементов, но при небольших сечениях изделий это влияние менее заметно, а в деталях крупного размера у углеродистых и менее легированных сталей механиче­ские свойства значительно ниже. Поэтому выбор марки стали зависит как от уровня требуемых свойств, так и от толщины изделия: например, диа­метр до 12...15 мм — стали 35, 40, 45, 50; диаметр до 50...75 мм — 40ХН, 25ХГСА, ЗОХГС; диаметр 75...120 мм — 30ХНЗА, 40ХН2МА. Из сталей, упрочняемых по всему сечению, изготавливают оси, валы, шестерни, кри­вошипы, шпильки ответственного назначения, тонкостенные трубы и др.