Конструкційні машинобудівні цементуємі (нітроцементуємі) леговані сталі

Для цементації (нітроцементації) застосовують середньолеговані низьковуглецеві (не більш 0,25–0,3 % С) сталі. Для одержання високої твердості (58–62 HRC), контактної витривалості та межі втоми при вигині; після хіміко–термічної обробки цементований шар повинний володіти високою прокаліваємостю і закаліваємостю. Після загартування шар повинний мати мартенсито–аустенітну структуру без продуктів перлітного та проміжного перетворень переохолодженого аустеніту. Крім того, сталь не повинна бути схильної до внутрішнього окислювання, формуванню надлишкових карбідів (карбонітридів) при насиченні. Утворення в шарі немартенситних продуктів перетворення різко знижує межу витривалості.

Прокаліваємість серцевини повинна забезпечити високі механічні властивості, особливо підвищену межу текучості та твердість 30–40 HRC. При циклічних навантаженнях опір цементованних та нітроцементованних деталей руйнуванню залежить від міцності серцевини. Підвищення міцності серцевини сприяє збільшенню контактної міцності. Однак зближення міцностних властивостей шару і серцевини знижує рівень залишкових стискаючих напруг на поверхні, а збільшення обсягу, що перетерплює фазові та структурні перетворення при термічній обробці, підвищує деформацію та короблення деталей після загартування. Обидва фактори приводять до зниження межі витривалості деталей. Для одержання високого опору крихкому руйнуванню та можливості використання безпосереднього загартування після цементації сталі повинні бути спадково дрібнозернисті (бал 6–10).

Збільшення дійсного зерна в цементованому шарі після термічної обробки зменшує контактну витривалість, межу витривалості при вигині та збільшує деформації в результаті термічної обробки. Для подрібнення зерна сталі мікролегують V, Ti, Nb, Zr і N, що утворять дисперсні нітриди VN, Ti, Nb, карбонітриди V (N, С), Ti (N, С), Nb(N,C) або карбіди VC, Ti та ін., що затримують ріст зерна аустеніту. Для забезпечення необхідної прокаліваємості шару і серцевини та мінімальної деформації при загартуванні для виготовлення відповідальних деталей використовують леговані сталі, що гартуються в олії; вуглецеві сталі, що гартують у воді, для цих деталей не застосовуються. Високий зміст легуючих елементів у сталях для цементуємих деталей не рекомендується, оскільки затрудняє застосування безпосереднього загартування їх, після цементації. Безпосереднє загартування високолегованих сталей веде до утворення в структурі цементованого шару великої кількості залишкового аустеніту (більш 50 %), що знижує міцністьвиробу.

Цементуємі сталі повинні добре оброблятися різанням, тому попередня термічна обробка (звичайно ізотермічний відпал) повинна забезпечувати оптимальну мікроструктуру. При незадовільній мікроструктурі заготовок погіршується якість робочої поверхні, а виникаючі в процесі різання, внутрішні напруження збільшують деформацію деталей при наступній хіміко–термічній обробці.

Хромисті сталі. Хром – порівняно дешевий елемент і широко використовується для легування сталі. У конструкційних сталях він частково розчинений у фериті, частково в цементиті, утворюючи карбід (Fe,Cr)₃C. Хромисті сталі 15Х, 20Х призначаються для виготовлення невеликих виробів простої форми, цементуємих на глибину 1000–1500 мкм. У хромистих сталях у більшому ступені розвивається проміжне перетворення і при загартуванні з охолодженням в олії, виконаної після цементації, серцевина виробу має бейнітну структуру. Внаслідок цього хромисті сталі в порівнянні з вуглецевими мають більш високі міцні властивості при трохи меншій пластичності в серцевині і кращій міцності цементованого шару. Хромиста сталь чуттєва до перегріву (але менше, ніж вуглецева), через карбідоутворюючій здатності хрому при цементації може виходити підвищений зміст вуглецю в поверхневому шарі. Хром мало впливає на прокаліваємість цементованого шару, визначає схильність до внутрішнього окислювання.

Хромованадієві сталі. Легування хромистої сталі 0,1 – 0,2 % V поліпшує її механічні властивості: у серцевині деталі = 750÷800 МПа; = 550÷600 МПа; =13÷12 %; = 50 %; KCU=0,80 МДж/м². Крім того, хромованадієві сталі менш схильні до перегріву. Через малу прокаліваємість їх використовують тільки для порівняно невеликих виробів (поршневі пальці, розподільні валики, тощо).

Хромонікелеві сталі. Для великих деталей відповідального призначення, що випробують в експлуатації значні динамічні навантаження, застосовують хромонікелеві і більш складнолеговані сталі, що володіють високою прокаліваємостю, характерні склади й властивості яких приведені в табл. 7.

Для важко навантажених деталей, цементуємих (нітроцементуємих) на товщину більш 0,5–0,6 мм, варто застосовувати сталі, леговані нікелем (до 4 %), що підвищує пластичність мартенситу, і молібденом (до 0,8 %), який різко підвищує прокаліваємість цементованного шару. Нікель та молібден на відміну від марганцю та хрому не схильні до внутрішнього окислювання, що знижує прокаліваємість цементованого шару і погіршує механічні властивості.

Хромонікелеві сталі малочутливі до перегріву при тривалій цементації і не схильні до пересичення поверхневих шарів вуглецем. Велика стійкість переохолодженого аустеніту в області перлітного і проміжного перетворень забезпечує високу прокаліваємість хромонікелевої сталі. Це ж дозволяє гартувати великі деталі з охолодженням в олії, а в деяких випадках і на повітрі.

Хромомарганцеві сталі. Марганець –дешевий елемент, застосовується як замінник у сталі нікелю. Як і хром, марганець розчиняється у феріті та цементиті, утворюючи легований цементит (Fe, Mn)₃C. Підвищуючи стійкість аустеніту, марганець знижує критичну швидкість загартування та підвищує прокаліваємість доевтектоїдної сталі, однак мало впливає на прокаліваємість цементованного шару і визначає схильність до внутрішнього окислювання.

Хромомарганцеві сталі застосовують у багатьох випадках замість дорогих хромонікелевих. Однак ці сталі менш стійкі проти перегріву і мають меншу в'язкість у порівнянні з хромонікелевими. Введення невеликих кількостей тітана, що утворюють важкорозчинні в аустеніті карбіди Ti, зменшує схильність хром марганцевих сталей до перегріву.

В автомобільній та тракторній промисловості, а також у верстатобудуванні для зубчастих коліс, валів та інших деталей застосовують сталі 18ХГТ і 25ХГТ. Ці сталі схильні до внутрішнього окислювання при газовій цементації, що знижує твердість цементованого шару і межу витривалості, тому широко застосовують сталь 25ХГМ, леговану молібденом. Молібден підвищує прокаліваємість шару, усуває шкідливий вплив внутрішнього окислювання і забезпечує максимальну поверхневу твердість.

Хромомарганцевонікелеві сталі. Підвищення прокаліваємості і міцності хром марганцевих сталей досягається додатковим легуванням їх нікелем.

В автомобільній та тракторній промисловості знайшли застосування сталі 15ХГН2ТА, 25ХГНТА та ін. Ці сталі наближаються по своїх механічних та технологічних властивостях до хромонікелевих.

Сталі,леговані бором. Для цементації (нітроцементації) використовують сталі, що містять 0,001–0,005%. Бор підвищує стійкість переохолодженого аустеніту в області перлітного перетворення і тому збільшує прокаліваємість сталі.

Підвищення стійкості аустеніту зв'язане з тим, що бор розташовується переважно по кордонах зерен, гальмує утворення зародків перліту. Однак при підвищеному змісті бора утворяться бориди заліза, що зменшують стійкість аустеніту.

Бор підвищує прокаліваємість лише доевтектоїдних сталей, що містять <0,5–0,6 % С, але не поліпшує прокаліваємості цементованого шару.

Легування бором підвищує міцності властивості після загартування та низької відпустки, не змінюючи або трохи знижуючи в'язкість та пластичність. Бор робить сталь чуттєвою до перегріву, тому така сталь, як правило, повинна бути спадково дрібнозернистої (бал 7–10). Легування бористої сталі титаном підвищує її стійкість проти перегріву. У промисловості для деталей, що працюють в умовах зносу при терті, застосовують сталь 20ХГР. Додаткове легування сталі 0,8–1,1% Ni (20ХГНР) підвищує її прокаліваємість, пластичність та в'язкість.

Механічні властивості після загартування та низької відпустки сталі 20ХГНР: =1300 МПа, =1200 МПа, =10% і КС=0,9 МДж/м².