Основы химико-термической обработки сталей

 

Химико-термической обработкой называют технологический процесс, заключающийся в диффузионном насыщении поверх­ностного слоя деталей различными элементами с целью измене­ния его состава, структуры и свойств.

В зависимости от того, какими элементами насыщают поверх­ностный слой стального изделия, различают:

□ цементацию — насыщение углеродом;

□ азотирование — азотом;

□ нитроцементацию — углеродом и азотом;

□ хромирование — хромом;

□ силицирование — кремнием.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контакт­ной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Проведение любой химико-термической обработки деталей включает следующие стадии:

1) диссоциацию химических соединений, в состав которых входит насыщающий элемент, с образованием активных атомов диффундирующего элемента;

2) адсорбцию диффундирующих элементов на поверхности металла, в результате чего тончайший поверхностный слой на­сыщается диффузионно-активным элементом;

3) собственно диффузию — проникновение элемента в глубь металла.

В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация легирующего элемента максимальна, а по мере удаления от нее — падает. Первые две стадии протека­ют значительно быстрее третьей, которая и определяет скорость процесса химико-термической обработки.

Для определения природы фаз, образующихся при химико- термической обработке, и выбора ее режимов служат двойные диаграммы состояния. Главными факторами, определяющими состав и структуру поверхностного слоя, являются температура процесса, концентрация на поверхности изделия активного хи­мического компонента и время выдержки в активной среде.

Наиболее широкое распространение в промышленности нашли такие виды химико-термической обработки, как цементация, азотирование и нитроцементация. Углерод и азот легко усваи­ваются поверхностью стальных изделий, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро формируют диффузионные слои значительной толщины.

ШКШ Цементация

Цементацией называется технологический процесс диффу­зионного насыщения поверхности стальных изделий углеродом. Цементация применяется для деталей, работающих в условиях трения и высоких контактных давлений (например, зубчатые ко­леса, валы, пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т.д.). Обработке подвергаются детали с припуском на шлифо­вание из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,1...0,25 % углерода, и низколегированных сталей типа 20Х, 15ХР, 20ХН, 18ХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4 и др. Глубина цементованного слоя ко­леблется от 0,5 до 4 мм. После цементации изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. В результате такой обработки твер­дость поверхностного слоя достигает 58...62 HRG, при сохране­нии вязкой сердцевины детали. В основном применяют два вида цементации: твердую и газовую.

При твердой цементации карбюризатором, т.е. науглерожи­вающим веществом, служит смесь древесного угля и углекис­лых солей BaC0₃, Na₂C0₃, К₂С0₃. Углекислые соли добавляют к древесному углю в количестве 10...30 % в качестве катализа­торов. Детали укладывают в металлические ящики и пересыпа­ют твердым карбюризатором так, чтобы они не соприкасались друг с другом, со стенками и дном ящика. Сверху ящик закры­вают крышкой и щели замазывают огнеупорной глиной. Ящики устанавливают в печь и нагревают до температуры 910...950 °С.

При такой температуре уголь взаимодействует с кислородом воз­духа, сохранившегося в порах засыпки, по реакции:

2С + 0₂ —> 2СО.

Оксид углерода разлагается на диоксид углерода С0₂ и ато­марный углерод С_ат:

2СО С0₂ + С_ат.

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют в глубь металла. Углекислые соли ин­тенсифицируют процесс (ВаС0₃), предотвращают спекание частиц карбюризатора (СаС0₃), а также, разлагаясь, увеличивают ко­личество СО и С0₂ и обогащают среду атомарным углеродом по схеме:

ВаС0₃ -» ВаО + С0₂, С0₂ + С(уголь) 2СО, 2СО С0₂ + С_ат.

Цементация в твердом карбюризаторе — длительная опера­ция, скорость которой составляет 0,10...0,12 мм/ч при темпе­ратуре 930 °С, а длительность зависит от толщины требуемого цементованного слоя. Для получения цементованного слоя глу­биной 1 мм при температуре 930 °С длительность процесса со­ставляет около 10 ч.

После окончания цементации ящики вынимают из печи, охла­ждают на воздухе, а затем распаковывают и вынимают детали.

Цементация в твердом карбюризаторе — малопроизводитель­ный процесс, который применяется только при мелкосерийном и индивидуальном способе производства.

Газовая цементация наиболее широко применяется в массо­вом производстве. Основной реакцией, обеспечивающей выде­ление свободного атомарного углерода, является диссоциация метана и оксида углерода по реакции:

СН₄ 2Н₂ + С_ат,

2СО С0₂ + С_ат.

В качестве карбюризатора используют разбавленный природ­ный газ (метан), контролируемые атмосферы, получаемые в спе­циальных генераторах, а также пары жидких углеводородов.

В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабочем пространстве печи может иметь раз­личную науглероживающую способность. Скорость газовой цемен­тации составляет 0,12...0,15 мм/ч при температуре 930...950 °С, а толщина диффузионного слоя достигает 1,7 мм.

Газовая цементация осуществляется в стационарных или пе­риодических конвейерных печах. Цементирующий газ подают в цементационную реторту. При газовой цементации можно полу­чить заданную концентрацию углерода в слое, сократить дли­тельность процесса (отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных плохо проводящим тепло карбюризатором), обеспе­чить возможность полной механизации и автоматизации процес­са, проводить закалку непосредственно от температуры цемен­тации.

Содержание углерода в поверхностном слое при данной тем­пературе определяется пределом растворимости углерода в ау- стените (линияSEдиаграммы Fe—Fe₃C). Так как температура цементации выше температуры Ас₃, углерод поглощается аусте- нитом(рис. 5.1, а). Предельное содержание углерода в аустените в непосредственной близости от поверхности обычно составляет 1,1...1,2 % и быстро убывает по толщине детали. При охлажде­нии детали происходят фазовые превращения в поверхностном слое, а поскольку цементованный слой имеет переменную кон­центрацию, то его структура различна по глубине.

Поверхностная зона имеет структуру, состоящую из перлита и цементита — заэвтектоидная зона; затем идут эвтектоидная зона, состоящая из одного перлита, и доэвтектоиднаЯ зона — из перлита и феррита (рис. 5.1, б и рис. 5.2). Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает в направлении к сердцеви­не. За эффективную толщину цементованного слоя принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной зон и половину переход­ной зоны до области, содержащей 0,4 % углерода.

Для получения необходимых свойств детали после цементации обязательно подвергают термической обработке. Обычно после цементации структура стали крупнозернистая, что связано с вы­держкой при высокой температуре. Для таких деталей прово­дятся двойная закалка и отпуск.

Первая закалка (или нормализация) проводится с темпера­тур 880...900 °С с целью измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки в поверхностном слое. Вторую

Расстояние от поверхности Рис. 5.1. Схема режима цементации (а), участок диаграммы Fe—Fe3C и кривая изменения содержания углерода по толщине цементованного слоя (б)

1 2 3 Рис. 5.2. Микроструктура цементованного слоя низкоуглеродистой стали: 1 — заэвтектоидная зона (П + Ц); 2 — эвтектоидная зона (П); 3 — доэвтектоидная зона (П + Ф)

 

закалку проводят с нагревом до 760...780 °С для устранения пере­грева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Для наследственно мелкозернистых сталей применяют закалку с температур выше Ас_х. После газовой цементации такие изделия Часто закаливают без повторного нагрева, непосредственно из печи с температур 840...860 °С после подстуживания с целью умень­шения коробления обрабатываемых изделий.

После закалки цементованные детали во всех случаях под­вергают низкому отпуску при температуре 160...180 °С для уменьшения закалочных напряжений и повышения сопротив­ления хрупкому разрушению.

Азотирование

Азотированием называется технологический процесс диф­фузионного насыщения поверхности стальных изделий азотом, в результате которого повышается твердость, износостойкость
и предел выносливости ответственных деталей машин (напри­мер, коленчатых валов, гильз цилиндров, червяков, валов и др.). Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых сталей, которые прошли чистовую обработку, закалку и высокий отпуск. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Детали, подвергаемые азотированию, укладываются в герме­тичные камеры, куда с определенной скоростью подается амми­ак, который при нагреве разлагается с образованием атомарного азота:

NH₃ЗН + N_aT.

Температура азотирования составляет 500...600 °С (рис. 5.3, а). Длительность процесса зависит от необходимой толщины азоти­рованного слоя. Для определения структур, образующихся в по­верхностных слоях при азотировании, рассмотрим диаграмму Fe—N (рис. 5.3, б), штриховые линии на которой указывают температуру азотирования.

б

а

t, °С

500...600

т, с

N

в

N g+Y'

t, °С

Рис. 5.3. Схема режима азотирования (а), диаграмма Fe—N (б) и структура азотированного слоя при температуре 640 °С (в)

Из диаграммы видно, что при температуре азотирования в си­стеме Fe—N существуют следующие фазы: а-фаза— твердый раствор азота в а-железе (азотистый феррит); /-фаза— твердый раствор на основе нитрида железа Fe₄N и е-фаза — твердый рас­твор на основе нитрида железа Fe₂_₃N. При медленном охлажде­нии от этих температур азотированный слой состоит из трех фаз: е, / и а. При температуре выше 590 °С присутствует у-фаза — азотистый аустенит, существующий как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры 591 °С. При более низкой тем­пературе он распадается на эвтектоид (а + 7'), и азотированный слой состоит из е-, у'- и (а + у')-фаз (рис. 5.3, в). Структура азо­тированного слоя стали, легированной алюминием, приведена на рис. 5.4.

Г

Рис. 5.4. Структура азотированного слоя стали, легированной алюминием: е — светлая тонкая полоса; у — темная широкая полоса

 

Распределение азота по глубине имеет скачкообразный харак­тер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев. При азотировании углеродистых сталей наряду с указанными выше фазами возможно образование карбонитридных фаз Fe₂_₃(N, С). Твердость азотированного слоя таких сталей невелика и состав­ляет 450...550 HV. Поэтому азотированию рекомендуют под­вергать стали, легированные хромом, молибденом, алюминием, ванадием и титаном, так как в них на поверхности образуются легированные е- и /-фазы типа (Fe, M)₂_₃N и (Fe, M)₄N, а также нитриды типа Cr₂N, A1N, Mo₂N. Комплексное легирование хро­мом, молибденом и алюминием позволяет повысить твердость азотированного слоя до 1200 HV, а в сталях, не содержащих алюминий, — до 950 HV.

Азотирование — длительная операция. Для получения слоя толщиной 0,5 мм требуется порядка 60 ч при температуре азо­тирования 500...520 °С. С целью ускорения процесса азотиро­вание проводят по двухступенчатому режиму: при 500...520 °С в течение 12...15 ч и при 540...600 °С в течение 20...25 ч. Вто­рая стадия ускоряет диффузионные процессы и общая длитель­ность процесса сокращается в 1,5...2 раза.

Цианирование

Цианирование сталей заключается в поверхностном насыще­нии стальных изделий одновременно углеродом и азотом из рас­плавленных цианистых солей NaCN с добавками солей NaCl, BaCl и др. При нагреве в ванне, содержащей указанные соли, происходят следующие реакции:

2NaCN + 0₂ ->2NaCNO, 2NaCNO + 0₂ -» Na₂C0₃+ 2N_ai+ СО, 2СО -> С0₂ + С_ат.

Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Детали нагревают в расплавленных солях до темпера­туры 820...860 °С и выдерживают 0,5...1,5 ч. При этом толщина диффузионного слоя достигает 0,16...0,35 мм и в нем содержится примерно 0,7 % углерода и 0,1 % азота.

После цианирования детали закаливают непосредственно из цианистой ванны и подвергают низкому отпуску при 180...200 °С. Твердость цианированного слоя после термической обработки 58...62 HRC₃. Цианированный слой по сравнению с цементован­ным обладает более высокой износостойкостью. Его структура состоит из тонкого поверхностного слоя карбонитридов Fe₂(C, N), Fe₃(C, N), после чего следует слой азотистого мартенсита.

Цианированию подвергают коленчатые валы, шестерни, ре­жущий инструмент, штампы, пресс-формы и др. Основным не­достатком цианирования является его ядовитость. Соли NaCl и BaCl добавляют для повышения температуры плавления смеси, что несколько уменьшает испарение дорогих и ядовитых циани­стых солей при рабочих температурах. Этих недостатков лишен процесс газового цианирования, получивший название нитро- цементации.

При нитроцементации совмещают процессы газовой цемен­тации и азотирования и используют смесь СО, С0₂, Н₂, СН₄, NH₃. Температура и состав атмосферы контролируются и зависят от марки стали, требуемой структуры и глубины насыщаемого слоя детали.

Высокотемпературная нитроцементация осуществляется для деталей из конструкционных сталей при температурах 830...950 °С и из легированных — при 850...870 °С. Процесс длится 4... 10 ч, так как диффузия углерода существенно уско­ряется в присутствии азота.

Низкотемпературная нитроцементация проводится для инструмента из быстрорежущей стали при температурах 550...570 °С. Процесс длится 1,5...3 ч, толщина нитроцементо- ванного слоя 0,02...0,04 мм, а его твердость 900...1200 HV. Изно­состойкость инструмента повышается в 1,5...2 раза. Перед низко­температурной нитроцементацией детали подвергают закалке и высокому отпуску.

После нитроцементации осуществляют закалку с 800...825 °С (после подстуживания) и низкий отпуск при 160...180 °С. Твер­дость достигает 56...62 HRC₃, а толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2...0,8 мм. Структура слоя представлена мел­кокристаллическим мартенситом, остаточным аустенитом и не­большим количеством дисперсных включений карбонитридов. В случае повышенного количества аустенита после закалки ре­комендуется обработка холодом,.

5.5.

Преимуществами нитроцементации по сравнению с цианиро­ванием являются безопасность процесса (отсутствуют ядовитые вещества), его низкая стоимость и возможность более точного регулирования толщины и состава поверхностного слоя. Преиму­щества по сравнению с цементацией заключаются в меньшей длительности и стоимости процесса, более простой термической обработке, меньшей деформации и более высокой износостойко­сти и усталостной прочности.

Диффузионная металлизация

Диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных изде­лий металлами — диффузионная металлизация — производится с целью упрочнения и придания особых физико-химических
свойств поверхностному слою детали. Диффузионная металлиза­ция может проводиться из расплава диффундирующего металла или его солей, из газовой и твердой фаз. Наибольшее распро­странение получили методы алитирования, хромирования и си- лицирования.

Алитирование, или диффузионное насыщение алюминием, проводится для повышения жаростойкости и коррозионной стойкости деталей из углеродистых сталей, используемых пре­имущественно в теплоэнергетическом машиностроении.

Насыщаемые детали вместе с порошком из ферроалюминия, оксида алюминия А1₂0₃ и хлористого аммония NH₄C1 упаковы­вают в металлические контейнеры с плавкими затворами и на­гревают до 950...1000 °С. Во время нагрева в алитирующей смеси протекают следующие реакции:

NH₄C1 NH₃+ НС1, 6НС1 + 2А1 2АЮ1₃ + ЗН₂.

Пары хлористого алюминия реагируют с железом на поверх­ности изделия по реакции:

Fe + А1С1₃FeCl₃+ Al„.

Атомарный алюминий диффундирует в металл, образуя твер­дый раствор алюминия с железом в поверхностном слое изделия. После выдержки в течение 3...16 ч обеспечивается толщина алитированного слоя 0,3...0,5 мм, а содержание алюминия в нем достигает 40...50 %-.

Жидкостное алитирование проводится при температуре 750...800 °С в ванне с расплавленным алюминием, содержащим 3...4 % Fe. После выдержки в течение 45...90 мин получается насыщенный алюминием слой толщиной 0,20...0,35 мм.

На рис. 5.5 показана микроструктура стали'45 после алити­рования в расплавленном алюминии при 800 °С. Диффузионный слой состоит из фазы Fe₂Al₅и имеет иглообразный характер.

Хромирование, или диффузионное насыщение хромом, про­водят для повышения твердости, износостойкости, окалиностой- кости и коррозионной стойкости среднеуглеродистых сталей. В результате хромирования на поверхности образуется тонкий слой (0,025...0,030 мм) карбида хрома (Cr, Fe)₇C₃или (Cr, Fe)₂₃C₆ и переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8 %).

 

 

 

Толщина хромированного слоя 0,1...0,3 мм, твердость — 1200... 1300 HV. Хромирование осуществляется из порошковой смеси, состоящей из феррохрома, оксида алюминия и хлористого алю­миния, при температуре 950...1100 °С в течение 6...12 ч.

На рис. 5.6 приведена структура хромированного слоя на армко-железе после газового хромирования при 1100 °С, про­должительность процесса 6 ч.

Силицирование, или диффузионное насыщение кремнием, применяется для стальных и чугунных деталей для повышения коррозионной стойкости в морской воде, в азотной, серной и соля­ной кислотах, износостойкости и жаростойкости при темпера­турах до 700...750 °С. Силицирование проводят в порошковых смесях, содержащих ферросилиций, или в Газовых средах при температуре 950...1100 °С в течение 2...12 ч. Толщина силици- рованного слоя составляет 0,3... 1,0 мм, структура поверхност­ного слоя состоит из твердого раствора кремния в а-железе, за которым располагается перлит (200...300 HV). Силицирован- ный слой имеет поры, которые часто пропитывают маслом при 170...200 °С для повышения износостойкости деталей.

 

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

»____________________________________________

Влияние примесей на свойства сталей

Сплавы на основе железа являются основными материалами для изготовления деталей машин, приборов, строительных кон­струкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машиностроении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механических, физических, химических и других свойств. Свойства сталей зависят не только от их состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.

Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02...2,14 %), постоянными примесями которого являются марганец до 0,8 %, кремний до 0,5 %, фосфор до 0,05 %, сера до 0,05 %. Такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки до­бавляют легирующие элементы (Cr, Si, Ni, Мп, V, W, Mo и др.), причем некоторые из них сверх их обычного содержания, то по­лучают легированную сталь.

Рассмотрим влияние углерода, постоянных примесей и леги­рующих элементов на механические свойства сталей.

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С уве­личением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость (рис. 6.1).

Временное сопротивление о_в достигает максимального значе­ния при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Структура углеродистых сталей может быть ферритно-перлитной (до 0,8 %), перлитной(0,8 %)иперлитоцементитной(свыше0,8 % углеро­да). Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы растворяются в феррите и струк­турно не обнаруживаются, но заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако

\		НВ' V
\ \ N	/ / > /	X
»	< /
		ч	^0,2
Л \	'ч\ ч
	N Л- кси		<8

НВ,

<v МПа	°0,2> МПа
	• 400

 

8, у, KCU, % МДж/м   1,6   1,2   0,8 10 • 0,4

О 0,4 0,8 1,2 С, % (по массе) Рис. 6.1. Влияние углерода на механические свойства стали

принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.

Сера попадает в чугун, а затем и в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe—FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 °С. При нагревании свыше 800 °С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности про­исходит в районе температур красного каления. Введение марган­ца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как, соединяясь с серой, он образует сульфид марганца MnS (FeS + Мп —>MnS + + Fe), температура плавления которого 1620 °С.

При температуре горячей обработки (800...1200 °С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца (сульфидная строчечность) уве­личивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вяз­кость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редко­земельными элементами (Се, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют
свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается ани­зотропия свойств.

Сера является нежелательным элементом и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влия­ние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатывае­мость стали при резании.

Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического пере­дела. Его растворимость в железе при высокой температуре дос­тигает 1,2 %, однако с понижением температуры резко падает, составляя 0,02...0,03 % при 200 °С и ниже. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержа­ние фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничи­вается в пределах 0,025...0,06 %.

Азот и кислород содержатся в стали в небольших количест­вах и присутствуют в виде неметаллических включений (окси­ды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охруп- чивание стали.

Присутствие большого количества водорода в стали в раство­ренном состоянии не только ее охрупчйвает, но и способствует возникновению очень опасного дефекта — внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.

Легирующие элементы в стали оказывают различное влия­ние на аллотропические превращения железа и фазовые превра­щения стали. Они могут находиться в стали в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллидных соединений.

Наиболее существенное влияние на полиморфизм железа оказывают хром, вольфрам, ванадий, молибден, ниобий, марга­нец, никель, медь и другие металлы. Они расширяют или сужают область существования у-железа. Например, введение в сталь никеля, марганца и меди понижает температуру точки А₃ и по­вышает температуру точки А_а, что (при определенном их содер­жании) расширяет область у-железа от температуры плавления до комнатной (рис. 6.2, а). Такие сплавы представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-железе и относятся к сталям аустенитного класса.

Вторая группа элементов, таких как хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, кремний, понижает температуру точки А₄

ж + у Мп, Ni %

 

Рис. 6.2. Диаграммы состояния железо — легирующий элемент: а — Fe—Мп, Ni, Pt, Ru, Os, Си; б — Fe—Si, W, Mo, V, Ti, Ta, Nb, Zr

(ж — ЖИДКОСТЬ)

и повышает температуру точки А₃, сужая область у-железа на диаграмме (рис. 6.2, б). Сплавы при определенном содержании легирующего элемента этой группы в интервале температур от комнатной до температуры плавления представляют собой твер­дый раствор легирующего элемента в а-железе и называются сталями ферритного класса.

К элементам, способным образовывать карбиды, относятся мар­ганец, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др. При небольшом содержании некоторые карбидообразующие элементы раство­ряются в цементите. Состав легированного цементита отвечает общей формуле (Fe, М)₃С, где М— легирующий элемент. При повышении содержания карбидообразующего элемента образу­ются самостоятельные карбиды данного элемента типа Сг₇С₃, Cr₂₃C₆, Мо₂С, W₂C, VC, TiC и др. Ряд элементов,-например вольф­рам и молибден, совместно с железом образуют карбиды Fe₃W₃C и Fe₃Mo₃C. Все эти карбиды отличаются высокой твердостью и высокой температурой плавления.

Элементы, не образующие карбидов (Ni, Си, Si, Со), находятся в стали главным образом в виде твердого раствора.

ж + а

Y+ а

Ci.Si,...,%

Легирующие элементы также изменяют кинетику распада аустенита (кобальт ускоряет превращение, никель, марганец, кремний, хром, молибден и др. — замедляют), влияют на поло­жение температурного интервала мартенситного превращения
(кобальт и алюминий повышают точки М_н и М_к, остальные — по­нижают) и замедляют процесс распада мартенсита при отпуске.

6.2.

Легирующие элементы, оказывая влияние на полиморфизм железа и превращения в стали при термической обработке, а так­же вызывая изменения фазового состава и структуры, оказывают существенное влияние на механические и эксплуатационные свойства сталей.

Классификация сталей

Стали классифицируют по химическому составу, способу про­изводства, назначению, качеству, степени раскисления, струк­туре (рис. 6.3).

По химическому составу стали классифицируют на углеро­дистые и легированные. Углеродистые стали разделяются на низ­коуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые(0,3...0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С). Легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегиро­ванные (до 2,5 %), среднелегированные (2,5...10 %) и высоко-

Классификация сталей

по способу выплавки

по качеству

по химическому состав

по назначению

по структуре (в отожженном состоянии)

Я я в О) п ° £ О S о а о о а со

g о м <а И и ® I", И U

01 я в в. о t<а О я я о «

а В к « о о.

Я и л ч а н IS о р. Ен О

3 a t. я 4 е. о К

Я w к к ю о, а И

a» а> ч ГО

ш К

К

Рис. 6.3. Классификация сталей

легированные (более 10 %). По преобладающему легирующему элементу легированные стали подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромомарганцево-ванадие- вые и др.

По способу производства различают конверторные, марте­новские, электростали и стаЛи особых методов выплавки.

По назначению стали классифицируют на конструкцион­ные, инструментальные, строительные и стали специального назначения с особыми свойствами.

По качеству различают стали обыкновенного качества, ка­чественные, высококачественные и особо высококачественные. Качество стали зависит от количества вредных примесей, пре­имущественно серы и фосфора. Содержание этих элементов в сталях различного качества приведено в табл. 6.1.

Таблица 6.1 Содержание серы и фосфора в сталях разного качества, % Стали S Р Обыкновенного качества 0,04...0,06 0,04...0,08 Качественные 0,03...0,04 0,03...0,04 Высококачественные 0,03 0,025.-0,03 Особо высококачественные До 0,015 0,015

 

Качество углеродистой стали отражается в маркировке. Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст (например, СтЗ). В конце маркировки высококачественных сталей ставится бук­ва А (например, У12А). Отсутствие букв Ст в начале и буквы А в конце маркировки означает, что углеродистая сталь является качественной (45, У12 и т. д.). Все легированные стали произво­дят, как минимум, качественными.

Для производства особо высококачественных сталей приме­няют специальные виды улучшающей обработки, которые могут быть указаны в марках сталей: ВИ (ВИП) — переплав в вакуум­ных индукционных печах; Ш (ЭШП) — электрошлаковый пере­плав; ВД (ВДП) — переплав в вакуумных дуговых печах; ШД — вакуумно-дуговой переплав стали после электрошлакового пере­плава; ОДП — обычная дуговая плавка; ПДП — плазменно-ду- говая плавка.

По степени раскисления различают спокойную сталь, кото­рая раскислена марганцем, кремнием и алюминием; полу спо­койную — марганцем и алюминием и кипящую — марганцем. Кипящая сталь уступает по качеству спокойной, так как содер­жит больше кислорода.

По структуре в равновесном состоянии стали классифи­цируют на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные (перлитного класса), ледебуритные, аустенитные и ферритные. По структуре в неравновесном состоянии после охлаждения на воздухе — на перлитные, мартенситные и аустенитные.

В ГОСТах на стали принята следующая система для обозна­чения марок сталей. Обозначения состоят из комбинации цифр и букв.

Первые цифры в маркировке указывают на содержание угле­рода в стали: если число однозначное — в десятых долях про­цента, если двузначное — в сотых долях процента. В случае, когда первые цифры (цифра) отсутствуют, углерода в стали не менее 1 % (например Х12, Х6ВФ).

Для обозначения легирующих элементов, входящих в состав стали, каждому из них присвоена своя буква: Ni — Н, Си — Д, N — А, Сг — X, В — Р, Р — П, Со — К, Nb — Б, Мо — М, Zr — Ц, Ti — Т, Мп — Г, Si — С, V — Ф, W — В, А1 — Ю. Для указания количества легирующего элемента в составе стали после соот­ветствующей буквы в марке ставится число, равное процентному содержанию элемента. Если числа нет, то содержание элемента меньше 1...1.5 % (например, 5ХЗВЗМФС).

Степень раскисления стали обозначается буквами в конце маркировки стали: сп — спокойная; пс — полуспокойная; к — кипящая.

Помимо указанных, для некоторых сталей употребляются специальные условные обозначения. Например, обозначение быстрорежущих сталей начинается с буквы Р, цифры за которой показывают содержание вольфрама в процентах (Р18, Р6М5К5); шарикоподшипниковых сталей — с буквы Ш (ШХ9, ШХ15СГ), где цифры (9 и 15) указывают на содержание хрома в стали в де­сятых долях процента.

Описанная выше классификация принята в Беларуси и стра­нах СНГ.

Европейская система обозначений сталей регламентируется стандартом EN 10027, состоящим из частей:

□ часть 1 определяет порядок наименования сталей (присвое­ния им буквенно-цифровых обозначений). В первую группу вклю­чены стали, наименование которых определяется их назначением и механическими или физическими свойствами;

□ часть 2 регламентирует присвоение сталям порядковых но­меров. Вторую группу составляют стали, наименования которых определяются их химическим составом.

В Японии наименование марок стали, как правило, состоит из нескольких букв и цифр. Буквенное обозначение определяет группу, к которой относится данная сталь, а цифры — ее поряд­ковый номер в группе и свойство.

В США существует несколько систем обозначения металлов и их сплавов. Это объясняется наличием нескольких организаций по стандартизации (AMS, ASME, ASTM, AWS, SAE, ACJ, ANSI, AJS).

В табл. 6.2 приведены некоторые марки сталей по классифи­кации стран СНГ и их аналоги в классификациях по европей­ской системе обозначений и стандартам США.

Таблица 6.2 Марки сталей по, различным классификациям ГОСТы стран СНГ Европейская система обозначений Стандарты США   С10Е 1.1121   10ХГН1 10ХГН1 1.5805 — 14ХНЗМ 14NiCrMol-3-4 1.6657     С15Е 1.1141   15Г С16Е 1.1148   16ХГ 16MnCr5 1.7131   16ХГР 16МпСгВ5 1.7160 — 16ХГН 16NiCr4 1.5714 — 17Г1С S235J2G4 1.0117 — 17ХНЗ 15NiCrl3 1.5752 Е3310 18ХГМ 18CrMo4 1.7243   18Х2Н2М 18CrNiMo7-6 1.6587 —

 

Окончание табл. 6.2 ГОСТы стран СНГ Европейская система обозначений Стандарты США   С22Е 1.1151   20ХМ 20МоСгЗ 1.7320   20ХГНМ 20МоСг2-2 1.6523     C25E 1.1158   25ХМ 25СгМо4 1.7218   28Г 28Мп6 1.1170     СЗОЕ 1.1178   34Х 34Сг4 1.7033   34Х2Н2М 34CrNiMo6 1.6582

 

Углеродистые стали

Углеродистые стали относятся к числу самых распростра­ненных конструкционных материалов. Объем их производства достигает 80 % от общей выплавки стали. Эти стали сочетают в себе высокую прочность и достаточную.вязкость, хорошие технологические свойства, они экономичны и не дефицитны. Различают следующие углеродистые стали: конструкционные обыкновенного качества, качественные, специального назначе­ния и инструментальные.

Углеродистые стали обыкновенного качества изготавли­вают следующих марок: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, СтЗГ, Ст4, Ст5, Ст5Г и Стб. Цифры указывают номер стали, с увеличением которого возрастает содержание углерода, поэтому чем больше номер, тем выше прочность и ниже пластичность. Буква Г указывает, что сталь содержит марганец в количестве, превышающем примес­ную концентрацию этого элемента.

По степени раскисления стали с номерами марок 1...4 вы­плавляют кипящими, полуспокойными и спокойными; с номе­рами ЗГ, 5,6 — полуспокойными и спокойными; 5Г — полуспо­койной. Не разделяется по степени раскисления лишь сталь марки СтО.

Углеродистые стали обыкновенного качества применяют для изготовления металлоконструкций и слабо нагруженных дета­лей машин и приборов (например, ограждений, перил, настилов, заклепок); фасонных профилей для вагонов, автомобилей, сель­скохозяйственного машиностроения; крепежных деталей, ручек, тяг, рычагов, штырей и т. д.

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного ка­чества приведен в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Химический состав некоторых углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380—94) Сталь Массовая доля элементов, % С Мп Si СтО Не более 0,23   — Ст1кп 0,06...0,12 0,25...0,50 Не более 0,05 Ст1пс 0,06...0,12 0,25...0,50 0,05...0,17 Ст1сп 0,06...0,12 0,25...0,50 0,12...0,30 Ст2пс 0,09...0,15 0,25...0,50 0,05..,0,17 Ст4кп 0,18...0,27 0,40...0,70 Не более 0,07 Стбсп 0,38...0,49 0,50...0,80 0,15...0,35

 

Механические свойства углеродистых сталей обыкновенного качества приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Механические свойства некоторых углеродистых сталей обыкновенного качества Сталь о„ МПа ат, МПа, не менее 5, %, не менее СтО   —   Ст1сп 310...410 —   Ст2кп 320...410     Стбпс 490...630     Стбсп Не менее 590

 

Углеродистые конструкционные качественные стали мар­кируются двузначными числами, показывающими среднее содер­жание углерода в сотых долях процента (например, 08, 10, 15, 20 и т.д. до 85). Химический состав некоторых марок сталей при­веден в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Химический состав стали конструкционной углеродистой качественной (ГОСТ 1050-88)

Сталь	Массовая доля элементов, %
С	Si	Мп
05кп	Не более 0,06	Не более 0,03	Не более 0,04
	0,05...0,12	0,17...0,37	0,35...0,65
	0,07...0,14	0,17...0,37	0,35...0,65
	0,12.-0,19	0,7...0,37	0,35...0,65
	0,17...0,24	0,17...0,37	0,35...0,65
	0,27...0,35	0,17...0,37	0,50...0,80
	0,37...0,45	0,17...0,37	0,50—0,80
	0,52...0,60	0,17...0,37	0,50...0,80
	0,57...0,65	0,17...0,37	0,50...0,80

 

Качественные стали производят и поставляют без термиче­ской обработки, термически обработанными и нагартованными. Механические свойства гарантируются после нормализации, закалки и отпуска, нагартовки и отжига.

Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают различными механическими и технологи­ческими свойствами. Из них изготавливают детали типа винтов, гаек, болтов, зубчатых колес, деталей автомобилей, кулачков, осей и др.

Основным недостатком этих сталей является их малая про­каливаемость и склонность к перегреву при термической обра­ботке.

Характерной особенностью автоматных сталей является их хорошая обрабатываемость резанием, что достигается за счет повышенного содержания в стали серы (до 0,30 %) и фосфора (до 0,15 %), а также за счет добавок свинца (0,15...0,30 %)или его аналога — селена в количестве до 0,1 %. Сера и фосфор об­легчают процесс резания благодаря измельЧению стружки, сви­нец и селен — за счет эффекта внутренней смазки, снижающего коэффициент трения в паре заготовка — инструмент. Роль внут­ренней смазки выполняют сами элементы, которые из-за крайне низкой растворимости в железе находятся в стали практически в свободном состоянии в виде включений. Автоматные стали мар­кируют буквой А, за которой следует двузначное число, указы­вающее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы С и Е в обозначении стали указывают на наличие в ее со­ставе соответственно свинца и селена. Широко используются следующие марки автоматных сталей: All, А12, А20, АЗО, АС40, АС14, АС20ХГНМ и др.

Автоматные стали по причине особенностей их химического состава обладают невысокими показателями пластичности и вяз­кости. Автоматные стали А12, А20 с повышенным содержанием серы и фосфора используются для изготовления малонагружен- ных деталей на станках-автоматах (болты, винты, гайки, мел­кие детали швейных, текстильных, счетных и других машин). Эти стали обладают улучшенной обрабатываемостью резанием, поверхность деталей из них получается чистой и ровной. Изно­состойкость может быть повышена цементацией и закалкой. Стали АЗО и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие нагрузки. У автоматных сталей, содержащих свинец (АС11, АС40), стойкость инструмента повышается в 1...3 раза, а скорость резания — на 25...50 %.

Легированные хромистые и хромоникелевые стали с присад­кой свинца и кальция (АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ) исполь­зуются для изготовления нагруженных деталей в автомобильной и тракторной промышленности.

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У в начале и цифрами, указывающими на среднее содер­жание углерода в десятых долях процента, и делятся на качест­венные (У7, У8, У9...У13) и высококачественные (У7А, У8А, У9А...У13А). Из них можно изготавливать инструмент, который в процессе работы не разогревается выше 150 °С. Это ножовоч­ные полотна, напильники, зубила, метчики, плашки и другой слесарный инструмент. Окончательная термическая обработка инструмента заключается в закалке и низком отпуске. Темпе­ратура отпуска в зависимости от условий работы инструмента может находиться в пределах от 150 °С (напильники) до 350 °С (пилы для дерева).

Основными достоинствами инструментальной углеродистой стали по сравнению с легированными сталями являются:

□ возможность закалки с низких температур (750...820 °С) и получения высокой твердости и износостойкости поверхност­ного слоя при сохранении вязкой сердцевины, что важно для ручных метчиков и штампов для высадки, которые работают на износ и с динамическими нагрузками;

□ низкая твердость в исходном (отожженном) состоянии, обеспечивающая хорошую обрабатываемость резанием и давле­нием, что позволяет применять накатку, насечку, плющение и другие высокопроизводительные методы изготовления инст­румента;

□ низкая стоимость.

Вместе с тем низкая теплостойкость, небольшая прокаливае­мость (10...15 мм при закалке в воде и 2...8 мм — в масле), чув­ствительность к перегреву и пониженная закаливаемость огра­ничивают область применения этих сталей.

Легированные стали

Основными легирующими элементами являются кремний, никель, марганец, хром. Такие элементы, как вольфрам, молиб­ден, ванадий, алюминий, титан и бор, вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучше­ния свойств. Однако высокие эксплуатационные характеристи­ки легированных сталей обнаруживаются только после закалки и отпуска, так как в отожженном состоянии их механические свойства практически не отличаются от свойств углеродистых сталей. Улучшение механических свойств обусловлено влия­нием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прока­ливаемость и размер зерна.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Однако упрочнение феррита приводит к снижению ударной вязкости, особенно если концентрация легирующих элементов больше 1 %. Исключение составляет никель, который не сни­жает вязкости стали.

Карбидообразующие элементы (Cr, Мо, V, W, Nb, Ti) влияют на природу и свойства карбидов в стали. Специальные карбиды легирующих элементов способны при нагреве растворяться в аустените, а на стадии отпуска, выделяясь из перенасыщеного твердого раствора в виде мелкодисперсных фаз, упрочнять сталь. Легирование сталей хромом, бором, молибденом повышает их прокаливаемость. Наиболее эффективно повышает прокаливае­мость комплексное легирование Cr + Мо, Cr + Ni, Cr + Ni + Мо. Большинство легирующих элементов измельчают зерно, но осо­бенно эффективно это делают ванадий, ниобий, титан, цирконий, алюминий.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные легиро­ванные стали, применяемые в народном хозяйстве.