Легированные конструкционные стали. Конструкционные легированные стали в свою очередь делятся на стали повышенной обрабатываемости резанием

Конструкционные легированные стали в свою очередь делятся на стали повышенной обрабатываемости резанием, стали низколегированные, цементуемые (нитроцементуемые) и стали улучшаемые.

Легированные конструкционные стали повышенной обрабатываемости резанием (автоматные стали). В углеродистых конструкционных автоматных сталях повышено содержание серы и фосфора, что обеспечивает образование короткой и ломаной стружки, получение гладкой блестящей поверхности при резании. Большое распространение получили легкообрабатываемые легированные стали, содержащие свинец и кальций (Ц – кальций), способствующие лучшему отделению стружки. Свинец, при содержании его 0,1 – 0,3 %, позволяет на 25 – 30% повысить скорость резания.

В автомобильной промышленности для деталей, изготовляемых из прутков на металлорежущих автоматах, широко применяют автоматные стали, содержащие свинец и кальций, – АС12ХН, АС38ХГМ, АС19ХГН, АЦ20ХГНМ, АЦ40ХГНМ, АСЦ30ХМ и др.

Низколегированные конструкционные стали содержат не более 0,22 % углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов марок 14Г2, 17ГС, 18Г2С, 10ГТ. Стали 14Г2, 17ГС, 10ХСНД в основном используются для штампованных изделий и металлических сварных конструкций, а 18Г2С, 10ГТ – для армирования железобетонных конструкций.

В судо-, вагоно- и мостостроении широко применяют низколегированные низкоуглеродистые стали марок 09Г2С, 10ХНДП, 10ХСНД и др. Для отливки деталей рам тележек вагонов и корпусов автосцепок используют сталь марки 20ГФЛ. Эти стали обладают хорошими технологическими свойствами, достаточно высокой прочностью (в 1,5 – 2 раза выше, чем у углеродистой стали), хорошей свариваемостью, более высокой стойкостью к коррозии. Применение низколегированных сталей вместо углеродистых позволяет экономить 20 – 30% металла. Стоимость большинства марок низколегированной стали всего на 10 – 15 % выше углеродистой.

Легированные конструкционные цементуемые стали – это низколегированные стали (не более 0,3 % углерода), они обязательно подвергаются химико-термической обработке (цементации, нитроцементации, борированию и т. п.) с последующей закалкой и отпуском, применяются для изготовления деталей, требующих высокой поверхностной твердости и прочной вязкой сердцевины. После закалки и отпуска поверхностный слой должен иметь твердость не ниже HRC58 – 62.

Стали хромистые, хромованадиевые, хромоникелевые 20Х, 15ХФ, 20ХГНР и т. п. применяют для изготовления деталей небольших и средних размеров, работающих на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, мелкие зубчатые колеса, кулачковые муфты, поршневые пальцы и др.).

Хромоникелевые 12ХН3А, 20Х2Н4А, хромомарганцетитановые 18ХГТ, 25ХГТ, хромоникельмолибденовые 18Х2Н4МА стали применяются для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при ударных и знакопеременных нагрузках. В частности, из сталей марок 12ХН3А и 20ХН3А делают шестерни зубчатой передачи колесомоторного блока локомотивов и электропоездов.

Хромоникелевые стали могут работать при отрицательной температуре, малочувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются, но они дороги из-за дефицитности никеля, и их часто заменяют хромомарганцетитановыми 18ХГТ, 25ХГТ и т. п. К этой же группе относятся стали более сложного химического состава, такие как 15ХГН2ТА, 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА и их заменители 20Г2Р и 06ХГР.

Легированные конструкционные улучшаемые стали общего назначения – среднеуглеродистые, содержат 0,3 – 0,5 % углерода и подвергаются закалке и высокому отпуску (улучшению); они должны иметь высокую прочность при достаточной пластичности, малую чувствительность к концентраторам напряжения, высокий предел выносливости и хорошую прокаливаемость.

Хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют для изготовления средненагруженных деталей: зубчатых колес, валов, рычагов, ответственных болтов и гаек. Стали марок 30ХР, 40ХРА, 33ХС, 38ХСА имеют повышенную прочность, хорошую прокаливаемость.

Хромокремнемарганцевые стали марок 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХГСА, называемые «хромансиль», не содержат дефицитных легирующих элементов, но имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются и часто являются заменителями более дорогих хромоникелевых и хромомолибденовых сталей.

Хромоникелевые стали марок 30ХН3А, 40ХН, 45ХН после термической обработки имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам, прокаливаются на значительно большую глубину по сравнению с другими легированными сталями. Из этих сталей изготавливают венцы тяговых зубчатых передач локомотивов с применением улучшения и поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты (т. в. ч.).

Группа рессорно-пружинных сталей. Основным требованием, предъявляемым к рессорно-пружинным сталям, является высокий предел упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют стали, легированные элементами, повышающими предел упругости: кремний, марганец, хром, ванадий, вольфрам.

Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение закалки и среднего отпуска при температуре 400 – 500°С (в зависимости от стали). Это необходимо для получения структуры троостита отпуска (с твердостью HRC42 – 48), обеспечивающего наиболее высокий предел упругости.

Для изготовления пружин вагонов, некоторых автомобильных рессор, в станкостроении, для торсионных валов наиболее часто применяют кремнистые стали марок 55С2, 60С2, 70С3А, которые имеют высокий предел текучести и упругости.

Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, марганцем, вольфрамом и никелем увеличивает их прокаливаемость, уменьшает склонность к обезуглероживанию и увеличению зерна при нагреве. Стали марок 60С2ХФА и 65С2ВА имеют хорошую прокаливаемость и высокую прочность, их применяют при изготовлении крупных высоконагруженных пружин и рессор. При больших динамических нагрузках используется сталь марки 60С2Н2А. Для автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА.

Срок службы рессор может быть увеличен в 1,5 – 2 раза дополнительной дробеструйной обработкой (поверхностным наклепом), создающей в поверх-ностных слоях металла остаточное напряжение сжатия, понижающее рабочее напряжение растяжения.

Шарикоподшипниковые стали маркируются буквой «Ш». Основной маркой шарикоподшипниковой стали является ШХ15, химический состав которой – 0,95 – 1,05 % углерода и хрома – 1,3 – 1,65. После закалки с 840 – 860°С в масле и отпуска при 150 – 170°С твердость достигает HRC62 – 65. Для изготовления более крупных подшипников используется хромомарганцевокремнистая сталь марки ШХ15СГ (0,4 – 0,65 % кремния, 0,9 – 1,2 – марганца). Структура сталей после термической обработки (скрытокристаллический мартенсит с равномерным распределением мелких избыточных карбидов) обеспечивает высокую твердость, износостойкость и сопротивление контактной усталости.

Крупные подшипники диаметром более 500 мм, работающие при высоких динамических нагрузках, изготавливают из цементуемых сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с более сложной термической обработкой после цементации.

Высокомарганцовистая износостойкая аустенитная сталь. Это так называемая «сталь Гадфильда Г13», которую начали применять с 1882 г. В настоящее время ее марка – 110Г13Л, она содержит 0,9 – 1,3 % углерода и 11,5 – 14,5 – марганца. Это соотношение (Mn: C ³ 10) обеспечивает в литых изделиях после закалки в воде аустенитную структуру с высокой прочностью s_в = 100 МН/м² (90 кгс/мм²) и низкой твердостью НВ200. При низкой твердости сталь 110Г13Л обладает необычно высокой износостойкостью при трении с давлением и ударами, что объясняется ее повышенной способностью к наклепу. В результате наклепа аустенит в поверхностном слое превращается в мартенсит. По мере износа этого слоя мартенсит образуется в следующем, низлежащем слое и т. д. Поэтому сталь 110Г13Л плохо обрабатывается резанием и широко используется только в литейном производстве. Ее применяют для щек камнедробилок, зубьев ковшей экскаваторов, черпаков землеройных машин, траков гусеничных машин и т. п. На транспорте из нее отливают детали крестовин стрелочных переводов. Если же во время работы сталь не испытывает значительного давления и ударов, вызывающих наклеп, то повышения износоустойчивости не наблюдается.