Конструкційні машинобудівні леговані сталі, що поліпшуються

Конструкційними сталями, що поліпшуються, називають сталі, використані після загартування і високої відпустки (поліпшення). Сталі містять 0,3–0,5 % С і їх піддають загартуванню з 820– 880° С (у залежності від складу) в олії (великі деталі охолоджують у воді) та високій відпустці при 500–650° С. Після такої обробки структура сталі сорбіт відпустки. Сталі повинні мати високу межу текучості, малу чутливість до концентраторів напруг, а у виробах, що працюють при багаторазово прикладених навантаженнях,– високу межу витривалості, достатній запас в'язкості KCU, КСТ, К _1с та низький поріг холодноламкості (t₅₀,t₉₀). Крім того сталі, що поліпшуються, повинні володіти гарної прокаліваємостю і малою чутливістю до відпускної крихкості.

Оптимальне сполучення міцності й пластичності після поліпшення досягається, якщо перетин виробу відповідає критичному діаметрові (95 % мартенситу) для даної сталі.

Механічні властивості сталі в першу чергу визначаються змістом у них вуглецю, від кількості якого залежить і закалюваність сталі. Прокалюваємість визначається присутністю легуючих елементів. В умовах повної прокалюваємості механічні властивості мало залежать від характеру легованості. Виключення складають нікель та молібден, що підвищують опір крихкому руйнуванню. Однак не слід прагнути до застосування сталей із зайво високої прокалюваємостю, оскільки необхідне для цього високий зміст хрому, марганцю і кремнію сприяє підвищенню схильності до крихкого руйнування.

При виборі сталі варто враховувати, що легуючі елементи підвищують стійкість мартенситу проти відпустки, тому для одержання необхідної міцності і твердості леговані сталі при поліпшенні піддають відпустці при більш високій температурі. Це дозволяє не тільки більш повно зняти гартівні напруги, але й одержати в сталі краще сполучення міцності і в'язкості.

Для виробів, що вимагають високих значень KCU, КСТта низького порога холодноламкості (що працюють при низьких температурах з високими швидкостями додатка навантаження і при наявності концентраторів напрузі), варто застосовувати спадково дрібнозернисті спокійні сталі, переважно леговані нікелем та молібденом.

Хромисті сталі. Для виготовлення середньо навантажених деталей застосовують хромисті сталі марок 30X, 38Х, 40X і 50Х. Зі збільшенням змісту вуглецю зростає міцність, але знижуються пластичність та в'язкість.

Прокалюваємість хромистої сталі 30Х, 40Х и 50Х невелика. Критичний діаметр для 95 % мартенситу не перевищує 25 – 30 мм.

Введення бора(0,002–0,005%) збільшує прокалюваємість хромистих сталей, але трохи підвищує поріг холодно­ламкості.

Прокалюваємість сталі з бором (35ХР, 40ХР) порівняно висока. Критичний діаметр (95 % мартенситу) при загартуванні воді 30–45, а в олії 20–30 мм.

Введення 0,1–0,2%V (40ХФА) підвищує механічні властивості хромистих сталей, головним чином в’язкість, внаслідок кращого зв’язування газів та подрібнення зерна без збільшення прокалюваємості. Ці сталі використовують для виробів, працюючих при підвищених динамічних навантаженнях (шатуни, шестерні).

Хромомарганцеві сталі. Спільне легування хромом (0,9–1,2 %) та марганцем (0,9–1,2 %) дозволяє одержати сталі з достатньо високою міцністю та прокалюваємостю. Сталі 40ХГ, 40ХГР використовують для виготовлення деталей перетином 30–40 мм. Однак хромомарганцеві сталі мають знижену в’язкість, підвищену межу холодноламкості (от +20 до –60° С), схильність до відпускної крихкості та зростанню зерна аустеніту при нагріванні. Введення в сталь титану (30ХГТ) забезпечує хром марганцевій сталі меншу схильність до пе­регрівання.

Хромокремнємарганцеві сталі – хромансил – сталі 20ХГС, 25ХГС та 30ХГС мають высоку міцність та гарне зварювання. їх використовують у вигляді листів та труб для відповідальних зварних конструкцій (наприклад, в літако будівництві). Сталь 30ХГС піддають поліпшенню або ізотермі­чной загартованності на нижній бейніт в розплавленої солі при 280–310° С, яка надає їй ще більш високі механічні властивості та знижуючої чутливості до надрізам.

Сталі хромансил схильні до зворотної відпускної крихкості та обезвуглецевуваню при нагріванні.

Високоміцну сталь 30ХГСНА та її аналог 30ХГСНМА широко використовують для виготовлення значно відповідальних де­талей, в тому числі зварних.

При використанні високоміцних сталей (30ХГС, 30ХГСНА та ін.) необхідно враховувати, що вони чутливі до концентратів напружень, особливо після звичайної загартовки й відпустки, окрихчуванню в результаті насищення воднем (наприклад, при гальванічних покриттях або травленні) та корозії під напругою.

Хромонікелеві сталі. Завдяки більшій стійкості переохолодженого аустеніту хромонікелеві сталі мають високу прокалюваємість, гарну міцність та в’язкість. їх застосовують для виготовлення великих виробів складної конфігурації, працюючих при вібраційних та дина­мічних навантаженнях. Нікель забезпечує найбільший запас в’язкості, а в сполученні з хромом – більшу прокалюваємість. Нікель, особливо в сполученні з молібденом, сильно знижує межу холодноламкості: чим вище вміст нікелю, тим нижче припустима температура застосування сталі і вище її опір­ крихкому руйнуванню.

В сталі, що поліпшуються, рекомендується вводити –3,0% Ni. При більшому вмісту нікелю отримується багато остаточного аустеніту.

Хромонікельмолібденові сталі. Хромонікелеві сталі мають схильність до відпускної крихкості, для усунення якої багато деталей з цієї сталі охолоджують після високого відпуску в олії, а більш великі – у воді. Однак навіть охолодження у воді для великогабаритних деталей з хромонікелевих сталей не приводить до достатньо швидкому охолодженню внутрішніх частин, в яких розвивається відпускна крихкість. Для її попередження сталі додатково легують молібденом (сталь 40ХН2МА) або вольфрамом. Невеликі деталі з цих сталей після високої відпуски можна охолоджувати на повітрі, а більш великі — в олії. Сталь має високі механічні властивості (рис. 166, в).

Хромонікельмолібденованадієві сталі. Нерідко в хромонікелеву сталь, окрім молібдену (вольфраму), додають ванадій, який сприяє отриманню дрібно зернистої структури. Прикладом сталей, легованих Сr, Ni, Mo та V, можуть служити сталі 38ХН3МФ та 36Х2Н2МФА. Більша стійкість переохолодженого аустеніту забезпечує високу прокалюваємість цих сталей (критичний діаметр більше 100 мм), що дозволяє зміцнити термічною обробкою великі деталі. Навіть в дуже великих перерізах (1000–1500 мм та більше) в серцевині після загартування утворюється бейніт, а після відпуску – сорбіт. Вказані сталі мають високу міцність, пластичність та в’язкість й низький поріг холодноламкості. Цьому сприяє високий вміст нікелю. Молібден, присутній в сталі, підвищує її теплостійкість. Ці сталі можна використовувати при 400–450° С.

Недоліками високолегованих хромонікельмолібденованадієвих сталей є складність їх обробки різанням та велика схильність до утворення флокенів. При виявленні їх хоча б в одній поковці бракують все поковки даної плавки. Сталі застосовують для виготовлення найбільш відповідальних деталей турбін та компресорних машин, для яких потрібен матеріал особливої міцності у великих перерізах (поковки валів та цілісно кованих роторів турбін, деталі редукторів та ін.).