Улучшаемые стали

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3—0,5 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.

Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают σ_в = 600…700 МПа и KCU = 0,4…0,5 МДж/м². Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпиндели, валы, оси и т. д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость HRC 40—50. Для получения высокой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т. д.).

Для получения высоких механических свойств в деталях сечением более 25—30 мм применяют легированные стали, которые обладают большей прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, меньше закалочные напряжения, выше устойчивость против отпуска.

Отсюда их основное преимущество перед углеродистыми конструкционными сталями — лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости.

Большинство легированных конструкционных сталей относится к перлитному классу.

При создании легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его дефицитность.

Основным легирующим элементом в конструкционных сталях является хром, содержание которого обычно составляет 0,8— 1,1 %; марганца в сталях до 1,5 %; кремния 0,9—1,2 %; молибдена 0,15—0,45 %; никеля 1—4,5 %. Общая сумма легирующих элементов не превышает 3—5 %.

Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость. Никель является исключением — он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладноломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особенно ценны как конструкционный материал.

Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин вводят около 0,1 % V, Ti, Nb, Zr для измельчения зерна. Введение 0,002—0,003% В увеличивает прокаливаемость.

Улучшаемые стали можно условно разделить на несколько групп.

Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок40Х, 45Х.Для увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистыестали около 1 % Мп: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15—0,25 % Мо.

Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, ЗОХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т. е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и прочностью, например, сталь 30ХГС после термической обработки имеет σ_в = 1650 МПа при KCU = 0,4 МДж/м2. Недостаток этих сталей — склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.

Чем больше размер детали, сложнее ее конфигурация, выше напряжения, возникающие в ней в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ееизготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т. д.

Молибден и вольфрам вводят в состав сталей также для уменьшения склонности к отпускной хрупкости. На рис. 152 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных прочности и размеров сечения.