Стали повышенной обрабатываемости

На обрабатываемость стали оказывают влияние различные факторы, основными из которых являются: допускаемая скорость резания; усилия резания; чистота обрабатываемой поверхности; вид операции (точение, фрезерование, сверление, фрезерование и т. д.).

Обрабатываемость снижается при повышении твердости и прочности стали. Увеличение содержания углерода в стали вследствие упрочнения приводит к снижению обрабатываемости.

Размер зерна, не влияя на твердость, снижает вязкость. Пониженная вязкость способствует получению сыпучей, недлинной стружки и её более легкому отделению. Низкоуглеродистые стали и техническое железо, несмотря на малое содержание углерода и малую прочность, плохо обрабатываются из-за большой вязкости и пластичности.

Большое значение имеет теплопроводность стали. При низкой теплопроводности выделяющееся при резании тепло незначительно поглощается изделием и происходит его концентрация в точках резания, что приводит к разогреву режущей кромки инструмента и снижению его стойкости. Малая теплопроводность характерна для аустенитных сталей, поэтому, несмотря на низкую твердость, они плохо обрабатываются.

Повышение обрабатываемости достигается введением в сталь серы, селена, теллура, кальция, свинца, фосфора. Такие стали называются автоматными и маркируют буквой А. Присутствие свинца в этих сталях обозначает буква С, селена - Е, кальция - Ц, двузначная цифра после этих букв указывает на содержание углерода в сотых долях процента.

Автоматным сталям характерны склонность к хрупкому разрушению, пониженный предел усталости, анизотропия механических свойств, низкая коррозионная стойкость и поэтому их используют для изготовления малоответственных деталей.

Автоматные сернистые стали А11, А20, А30, А35, А40Г содержат до 0,30% серы и до 0,15% фосфора. Для снижения склонности к красноломкости в них увеличено содержание марганца до 1,5%. Сера в автоматных сталях находится в виде сульфидов марганца, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки и уменьшают трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия. Фосфор, увеличивая хрупкость феррита, облегчает отделение и измельчение стружки и способствует получению гладкой блестящей поверхности резания.

Автоматные свинцовосодержащие стали (АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2, АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ) содержат до 0,35% Рb и по обрабатываемости превосходят сернистые. Свинец не растворяется в стали и, присутствуя в виде мелких обособленных включений, делает стружку более ломкой. Кроме этого, от теплоты резания свинец плавится и, оказывая смазывающее действие, эффективно снижает трение между инструментом и деталью. Однако при больших скоростях резания свинец может испаряться, что приводит к схватыванию инструмента с обрабатываемой деталью. Свинец не ухудшает прочностных свойств, но незначительно ухудшает пластичность и вязкость.

Автоматные селеносодержащие стали (А35Е, А45Е, А40ХЕ) содержат до 0,1% Se, который практически не снижает их коррозионную стойкость. Повышение обрабатываемости связано с образованием селенидов и сульфоселенидов, которые окружают твердые оксидные включения, устраняя их истирающее действие.

Автоматные кальцийсодержащие стали (АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ40Г, АЦ40ХН3 и др.) содержат кальция до 0,008% с возможным добавлением свинца, теллура и селена. Кальциевые стали обрабатываются твердосплавным инструментом при высоких скоростях резания.

3.2.2 Низкоуглеродистые стали для цементации

Для изготовления деталей, которые работают при условиях трения, ударных и переменных нагрузок, применяют низкоуглеродистые стали, которые содержат до 0,2 % углерода и поддаются цементации с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском. Стали для цементации подразделяются на три группы:

- углеродистые стали с сердцевиной, которая не упрочняется во время последующей термической обработки;

- низколегированные стали с незначительно упрочняемой сердцевиной;

- легированные стали с сильно упрочняемой сердцевиной при термической обработке.

К сталям первой группы относятся стали 10, 15, 20. В результате низкой прокаливаемости их применяют для малоответственных деталей с неупрочняемой сердцевиной. Даже после закалки с охлаждением в воде слои, которые расположены под цементированным слоем, имеют ферритно-перлитную структуру, и, соответственно, низкую твердость и прочность.

К сталям второй группы относятся низколегированные стали 20Х, 20ХР, 20ХН, которые после цементации подвергают закалке в масле, что позволяет получить бейнитные структуры по сечению детали и следующие механические свойства: s_в до 750 МПа, δ до 12%, КСU - 0,6...0,7 МДж/м².

К сталям третьей группы относятся стали типа 20ХГР, 20ХНР, 12Х2Н4, 18Х2НВ, 30ХГТ, которые после охлаждения в масле закаливаются на мартенсит. Если после закалки в цементированном слое сохраняется большое количество остаточного аустенита, то такие стали подвергают обработке холодом, а затем низкому отпуску.

3.2.3 Среднеуглеродистые стали для улучшения

Эти стали содержат 0,3...0,5%С и легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний в общем количестве не более 3-5%), а также до 0,3% элементов, которые способствуют получению мелкого зерна аустенита (ванадий, титан, ниобий, цирконий).

Наибольшее распространение для машиностроения получили конструкционные стали, легированные 0,8...1,2% Cr. Они имеют более высокую прокаливаемость, чем углеродистые стали. Хром способствует получению в стали высокой и равномерной твердости. Температурный интервал хладноломкости хромистых сталей 0...-100^оС. При 0^оС наблюдается вязкий излом, а при -100^оС излом становится полностью хрупким.

Хромистые стали легируют дополнительно:

- марганцем для повышения прокаливаемости, но марганец способствует росту зерна и, как следствие, повышает порог хладноломкости;

- молибденом (0,15 - 0,45%) для повышения прокаливаемости и снижения порога хладноломкости, а также для повышения статической, динамической и усталостной прочности стали;

- ванадием (0,1...0,3%) для уменьшения размера зерна и повышения вязкости;

- бором (до 0,003%) для повышения прокаливаемости, но при этом повышается порог хладноломкости;

- титаном (до 0,1%) для измельчения зерна.

Введение в хромистые стали никеля значительно повышает их прокаливаемость. Дополнительная добавка молибдена в хромоникелевые стали снижает отпускную хрупкость, к которой склонны хромоникелевые стали.

Термическая обработка таких сталей включает закалку в масле и высокий отпуск (550 - 650°С). Нагрев для закалки проводят до температуры на 30...50°С выше А_С3. Для большинства сталей это температура около 850°С.

Среднеуглеродистые легированные стали при закалке охлаждают в масле, что дает возможность получать мартенситную структуру при значительно меньшем уровне внутренних напряжений.

При высокотемпературном отпуске (550 - 650°С) среднеуглеродистых сталей следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска, которое предотвращает развитие отпускной хрупкости второго рода. В тех случаях, когда после отпуска невозможно осуществить быстрое охлаждение (например, для крупногабаритных деталей), следует использовать стали, легированные молибденом, который замедляет развитие отпускной хрупкости второго рода.

Улучшаемые стали могут быть условно разделены на 5 групп. С ростом номера группы растет количество легирующих элементов, увеличивается прокаливаемость и сопротивление хрупкому разрушению.

К первой группе относятся углеродистые стали 35, 40, 45. Максимальное сечение деталей (Д_кр.), которые прокаливаются на мартенсит, не превышает 10 мм. Переходная температура хладноломкости (t₅₀,^оС) равняется -20^оС.

Вторую группу составляют хромистые стали марок 30Х и 40Х. Для этих сталей Д_кр и t₅₀,^оС составляют, соответственно, 20 мм и – 40^оС. Недостатком сталей этой группы является склонность к отпускной хрупкости второго рода.

Для сталей третьей группы (30ХМ, 40ХГ, 40ХГТ) критический диаметр увеличивается до 25 мм, а переходная температура хладноломкости снижается до -50^оС. В эти стали для повышения прокаливаемости дополнительно вводят марганец, а для снижения отпускной хрупкости – молибден. Такие стали, легированные, кроме этого, еще и кремнием, называют хромансилами (20ХГС, 30ХГС). Эти стали хорошо свариваются, имеют прочность s_в = 1200 МПа и ударную вязкость КСU = 0,4 МДж/м².

Четвертую группу составляют хромоникелевые стали, которые содержат до 1,5% Ni (40ХН, 40ХНМ). Критический диаметр в этих сталях превышает 40 мм, а переходная температура хладноломкости достигает -70^оС.

К пятой группе относят комплекснолегированные стали, которые содержат до 4%Ni (38ХН3М, 38ХН3МФА). Критический диаметр этих сталей больше 100 мм, а t₅₀,^оС - ниже -100^оС. Из этих сталей изготавливают сложные по конфигурации и большие по сечению детали, которые закаливаются в масле.

3.2.4 Рессорно-пружинные стали

Основными требованиями, которые предъявляются к деталям типа рессор и пружин являются высокий предел текучести (до 1700 МПа), высокое сопротивление усталости при достаточной пластичности. Повышение значения предела текучести пружинных сталей достигается закалкой с последующим среднетемпературным отпуском при 400...480°С.

Стали для пружин и рессор должны обеспечивать сквозную прокаливаемость для получения структуры мартенсита по всему сечению детали. Наличие после закалки немартенситных продуктов распада аустенита и остаточного аустенита ухудшает пружинные свойства. Чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали малым пластическим деформациям. Наличие обезуглероженного слоя на готовых пружинах резко снижает пределы упругости и выносливости.

Для изготовления пружин и рессор применяют конструкционные стали с повышенным содержанием углерода 0,5…0,7%, дополнительно легированные кремнием, марганцем, хромом и ванадием.

Для пружин малого сечения, испытывающих при работе незначительные нагрузки, используют углеродистые стали 65, 70, 75, 65Г,75Г.

Кремнистые стали (55С2, 60С2, 70С3) применяют для изготовления пружин вагонов, автомобильных рессор, торсионных валов и др. Кремний повышает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске и значительно упрочняет феррит, что обеспечивает хорошие свойства. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию, что снижает предел выносливости. Кроме этого, они трудно обрабатываются резанием.

Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, кремнием, вольфрамом, никелем увеличивает их прокаливаемость и уменьшает склонность к обезуглероживанию. Стали 60С2ХФА и 65С2ВА, имеющие прокаливаемость до 50 мм, применяются для изготовления крупных тяжелонагруженных пружин. Сталь 60С2Н2А прокаливается до 80 мм и используется при изготовлении ответственных пружин, работающих в условиях значительных динамических нагрузок.

Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью, после чего предел выносливости увеличивается в 1,5…2 раза.

Пружины из углеродистых, марганцевых, кремнистых сталей работают при температурах не больше 200^оС. Для пружин с температурой эксплуатации до 300^оС используют пружины из стали 50ХФА, а при более высоких температурах до 500^оС - из стали 3Х2В8Ф, до 600^оС - из стали Р18.

Для работы в агрессивных средах пружины изготовляют из хромистых коррозионностойких сталей типа 40Х13, 95Х18.