Низколегированные конструкционные стали

Наибольшее использование в машиностроении, судо­строении и промышленном строительстве получили низ­коуглеродистые и среднеуглеродистые низколегирован­ные стали, некоторые марки которых приведены в табл. 2.

Наилучшей свариваемостью обладают низкоуглеро­дистые стали (09Г2С, 16ГС, 15ГФД и др.), а также стали с карбонитридным упрочнени­ем, содержащие кроме углеро­да азот и карбидообразующие элементы (16Г2АФ, 14Г2АФД, 08Г2ФСБ и др.). Их применя­ют в судо- и вагоностроении, для нефте- и газотрубопрово­дов, различных резервуаров, сварных мостостроительных конструкций. В продовольст­венном машиностроении стали 16ГС, 15ГФ используют для корпусов и днищ аппаратов, фланцев и других деталей, ра­ботающих при температурах от - 40 до + 475 °С под давле­нием.

Детали из сталей 20ХН, 18ХГТ, 12ХН3, 20ХН3А и др. чаще всего применяют после цементации с последующей за­калкой и низким отпуском. После обработки они имеют высокую прочность и поверхностного слоя (около 60 HRC) и вязкую (20…30 HRC) сердцевину. Иногда закалку проводят в масле. При этом прочность сердцевины значительно повышает­ся (за счет бейнитного превращения) и возрастает рабо­тоспособность деталей.

Низкоуглеродистые легированные стали имеют низ­кий порог хладноломкости (в области отрицательных температур).

После закалки и отпуска в них получается хорошее сочетание высокой прочности (s_0,2 = 1100…1300 МПа) с высокой пластичностью (d = 10 %, y = 40…45%) и вязкостью KCU = 0,8 МДж/м²), поэтому их используют и для изготовления деталей без цемен­тации.

Таблица 2

Химический состав низколегированных сталей

( ГОСТ 4543—71, 19281—73, 14959—79)

Сталь	Содержание элементов, % (по массе)
C	Cr	Ni	Mn	Si	Другие элементы
Низкоуглеродистые стали (£0,30 % С, 0,03 % P, 0,04 % S)
15ГФ 16ГС 20Х 30ХГТ 20Х2Н4 10Г2С1Д	0,12-0,18 0,12-0,18 0,17-0,23 0,24-0,32 0,16-0,22 £0,12	0,30 0,30 0,70-1,0 1,0-1,3 1,25-1,65 0,30	0,30 0,30 0,30 - 3,25-3,65 0,30	0,9-1,20 0,9-1,20 0,50-0,80 0,8-1,1 £0,8 1,3-1,65	0,17-0,37 0,4-0,7 0,17-0,37 - 0,17-0,37 0,8-1,1	0,05-0,12V - - 0,03-0,09Ti 0,01-0,03Ti -
Среднеуглеродистые стали
35ХМ 40ХН 50ХФА 30ХГСА 40ХН2МА 38ХН3МФ 60С2А	0,32-0,40 0,36-0,44 0,46-0,54 0,28-0,34 0,37-0,44 0,30-0,42 0,58-0,63	0,80-1,1 0,45-0,75 0,80-1,1 0,80-1,1 0,60-0,90 1,2-1,5 0,30	0,30 1,0-1,4 0,3 0,3 1,25-1,65 3,0-3,4 0,30	0,17-0,37 0,50-0,80 0,50-0,80 0,80-1,10 0,50-0,80 £0,8 0,60-0,90	0,40-0,70 0,17-0,37 0,17-0,37 0,9-1,2 0,17-0,37 0,17-0,37 1,6-2,0	0,15-0,25Мо - 0,10-0,20V - 0,15-0,25Mo 0,35-0,45Mo 0,1-0,2V -

____________________

* В качественных сталях содержится 0,03 % P, 0,03 % S.

В высококачественных сталях содержится 0,025 % P, 0,025 % S

Для мелких деталей (сечением < 25 мм) используют более дешевые хромистые стали (20Х, 15ХФ, 20ХР и др., свойства приведены в табл. 3).

Сталь 20Х разрешена для изготовления деталей, не­посредственно контактирующих с пищевыми средами, и ее используют для изготовления деталей перекачива­ющих насосов, маслоотжимных шнековых прессов и др.

Для крупных деталей (сечением более 100 мм) ответ­ственного назначения применяют хромоникелевые и сложнолегированные стали (12ХН3А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др.).

Среднеуглеродистые легированные стали (табл. 4) содержат 0,3…0,5 % С, 3…5 % легирующих элементов (Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo) и небольшое количество элемен­тов, измельчающих зерно (Ti, Nb, Zr, V).

По прокаливаемости легированные стали разделяют на четыре группы.

Таблица 3

Режимы термической обработки и механические свойства

низкоуглеродистых легированных сталей конструкционных сталей

Сталь	Режим термической обработки	s0,2, МПа	sВ, МПа	d, %	y, %
15ГФ 16ГС 10Г2С1Д 20Х	Без термической обработки То же Закалка + отпуск Без термической обработки Закалка + отпуск Нормализация 880-900 0С, охлаждение на воздухе Закалка 880 0С + закалка 770-820 0С + отпуск 180 0С, охлаждение на воздухе				- - - - -

________________

*Свойства приведены для сечений 10…20 мм, кроме случая нормализации стали 20Х, где сечение было равным 70 мм

Рис. 2. Зависимость механических свойств стали 40 от температуры отпуска.

К первой группе относятся стали, ле­гированные хромом или хромом и бором вместе (40Х, 40ХР).

Ко второй группе - легированные, кроме хрома, еще марганцем, кремнием и молибденом (40ХГ, 30ХГС, 30ХГТ и др.).

К третьей группе относятся стали, легиро­ванные никелем в количестве 1…1,5% (40ХН, 40ХНМ и др., в них прокаливаемость достигается в сечениях до 70 мм.

Еще большая прокаливаемость достигается путем легирования 2…3 % Ni и дополнительно молибденом и вольфрамом, снижающим отпускную хрупкость и порог хладноломкости (30ХН3, 38ХН3МФ и др.). Эти стали, наиболее глубоко прокаливающиеся, относятся к четвер­той группе.

Таблица 4

Режимы термической обработки и механические свойства среднеуглеродистых легированных сталей (улучшаемых)

Сталь	Термическая обработка	Механические свойства
Операция	Температура, 0С	Охлаждающая среда	s0,2, МПа	s В, МПа	d, %	y, %	KCU, МДж/м2
35ХН 40ХН 40ХН2МА 30ХГСА 50ХФА 38ХН3МА	Закалка Отпуск Закалка Отпуск Закалка Отпуск Закалка Отпуск Закалка Отпуск Закалка Отпуск Закалка Отпуск	820-840 400-450 835-865 570-670 860-880 200-250 835-865 490-550	Масло Вода, масло Масло Воздух Масло Вода, масло Масло Вода, масло Масло Воздух Масло Воздух Масло Воздух	-	-	-	-	- 0,78 0,6 0,78 0,98 0,49 0,49 - 0,8

Следует отметить, что полной прокаливаемости (т.е. закалки на мартенсит) во всем сечении добиваются для изделий, испытывающих высокие ударные нагрузки или же большие растягивающие напряжения. При изгибе лучше ограничиться прокаливаемостью изделий на поло­вину сечения.

Среднеуглеродистые низколегированные стали в тех­нике чаще используют как улучшаемые. Температура отпуска при улучшении зависит от легирования и опре­деляется скоростью разупрочнения стали (табл. 4).

Стали 40Х, 50Х рекомендуются для деталей сечением < 25 мм, работающих без высоких ударных нагрузок.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН) обладают высо­кой прокаливаемостью, и их применяют для изготовле­ния деталей больших размеров (диаметром до 100 мм). Они имеют хорошую прочность и вязкость. Сопротивле­ние хрупкому разрушению растет с повышением содер­жания никеля, которое в улучшаемых сталях не долж­но превышать 3 %. Такие стали обладают высокой проч­ностью, их применяют для наиболее ответственных деталей (валов, роторов турбин, муфт, деталей редукто­ров, затяжных колец, барабанов сепараторов и др.).

Хромокремнемарганцевые стали - хромансили (30ХГСА, 35ХГСА и др.) хорошо штампуются, обраба­тываются резанием, поэтому широко используются в ав­томобильной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности.

Среднеуглеродистые легированные стали используют и в качестве рессорно-пружинных. Они должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформа­циям, хрупкому разрушению, иметь повышенную релак­сационную стойкость, хорошую прокаливаемость. Стали содержат углерода более 0,5 %.

Наиболее широко в промышленности используют кремнистые стали 65С, 55С2, 60С2А, 70С3А. Кремний задерживает распад мартенсита при отпуске, значитель­но упрочняет феррит. У кремнистых сталей также высо­кие пределы текучести и упругости. Их применяют для пружин вагонов и автомобильных рессор. Для уменьше­ния склонности к обезуглероживанию и росту зерна при нагреве, для повышения предела выносливости кремнис­тые стали дополнительно легируют хромом, марганцем, вольфрамом, никелем и ванадием. Стали 60С2ХФА, 65С2ВА применяют для изготовления пружин, работаю­щих в условиях высоких нагрузок. Сталь 65Г разрешена для непосредственного контакта с пищевыми средами, а также ее используют для пружин, амортизаторов, за­жимных цанг, корпусов подшипников и др.

К этим сталям предъявляются высокие требования по чистоте поверхности, дефекты которой ухудшают долговечность пружин и рессор. Для получения оптимального предела выносливости твердость сталей не должна пре­вышать 42…48 HRC.

Для отпуска пружин и рессор после закалки обычно применяют среднетемпературный отпуск (при 400…520 °С). Но лучшее сопротивление хрупкому разруше­нию и усталости стали получают после изотермической закалки.

Из числа высокоуглеродистых низколегированных сталей следует рассмотреть шарикоподшипниковые (табл. 5).

Таблица 5

Химический состав (% по массе) шарикоподшипниковых сталей

(ГОСТ 801—78)

Сталь	C	Cr	Mn	Si
ШХ9 ШХ15 ШХ15СГ	1,05…1,10 0,95…1,05 0,95…1,05	0,9…1,2 1,3…1,65 1,3…1,65	0,20…0,40 0,20…0,40 0,90…1,20	0,17…0,37 0,17…0,37 0,40…0,65

Одно из важных условий, предъявляемых к подшип­никовым сталям, - это высокие требования по содержа­нию примесей и неметаллических включений, особенно оксидных, которые очень вредны. Их содержание долж­но быть минимальным. Действие сульфидных включений оказывается полезным, и поэтому содержание серы в ша­рикоподшипниковых сталях должно быть близким к 0,015 %. Положительная роль сульфидных включений заключается в том, что в отличие от оксидных, имеющих большой коэффициент расширения и вызывающих на­пряжения в матрице, сульфидные включения имеют ко­эффициент расширения одинаковый с матрицей и как бы служат демпферами между оксидным включениями и матрицей.

Высокие требования, предъявляемые к однородности свойств и чистоте подшипниковых сталей, определяются высокими циклическими нагрузками и большими кон­тактными напряжениями (до 6000 МПа) работающих де­талей. Очень большое влияние на свойства оказывают условия выплавки. В настоящее время применяют электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП) или их комбинацию. Но эти методы достаточно дорогостоящие, и, кроме того, они не очень хорошо влияют на прокаливаемость. Наиболее перспективным является метод вакуумирования.

Высокое содержание в сталях углерода обеспечивает при закалке (обычно в масле) высокую твердость, а хром обеспечивает хорошую прокаливаемость. Мелкие шарики и ролики изготавливают из стали ШХ9, более крупные (диаметром до 30мм) из ШХ15, а крупные ро­лики и кольца из ШХ15СГ. Сталь ШХ15 разрешена для изделий, имеющих непосредственный контакт с пищевы­ми средами. Детали из шарикоподшипниковых сталей подвергают термической обработке: закалке в масле с 830…840 °С и низкому отпуску при 150…160 °С. В ре­зультате термической обработки образуется очень мелкодисперсный игольчатый отпущенный мартенсит и твердость изделий достигает 62…65 HRC. Режимы тер­мической обработки шарикоподшипниковых сталей дол­жны строго соблюдаться, в противном случае ухудша­ется качество и стойкость подшипников.

В последнее время начали применять легированную подшипниковую сталь ШХ15СГМФШ (0,9…1,1 % С; 0,6…0,9 % Mn; 0,9…1,1 % Si; 1,8…2,5 % Cr; 0,8…1,1 % Мо; 0,4…0,7 % V; £ 0,010% S; £ 0,02 % Р). Буква Ш в конце означает, что сталь обработана синтетическими шлаками.

Для изготовления крупногабаритных роликов приме­няют цементируемую хромоникелевую сталь 20Х2Н4А для подшипников, работающих в агрессивных средах, — коррозионностойкую сталь 95Х18.