К этому типу сталей относятся среднеуглеродистые (до 0,5 % С), низко и среднелегированные стали. Основные требования: высокая конструктивная прочность, прокаливаемость, низкий температурным порог хладноломкости, высокое сопротивление хрупкому разрушению. Основные легирующие элементы: хром, никель, марганец, кремний, добавки ванадия, вольфрама, титана, молибдена, бора для увеличения прокаливаемости, измельчения зерна и снижения температурного порога хладноломкости.
Виды улучшаемых сталей:
· Хромистые стали - 30Х, 38Х, 40Х, 50Х.
· Хромоникелевые стали -40ХН, 45ХН, 50ХН, 30ХНЗА.
· Хромомарганцевые стали - 40ХГ, 40ХГР, 30ХГТ, ЗОХГС.
· Хромоникелеванадиевые - 40Х2Н2ФМА, 38ХНЗМФ.
· Хромоникелемолибденовые - 40ХН2МА.
Недостаток этих сталей – склонность к обратимой отпускной хрупкости, особенно у сталей, легированных Cr, Ni, Мп. Для ее устранения в сталь вводят 0,2-0,3 % молибдена либо применяют ускоренное охлаждение при отпуске с температуры выше 6000С.
Термическая обработка: закалка при температуре 820 - 880°С, масло и высокий отпуск 550 - 650СС.
Рабочая структура - сорбит отпуска.
Для деталей, которым требуется повышенная твердость поверхности, можно проводить закалку ТВЧ с низким отпуском.
Применение: шатуны, ступицы, валы, тяги, штанги толкателей, пальцы, валы карданные, втулки, шатуны, нормали и др. детали, работающие в условиях сложного нагружения при динамических нагрузках.
Высокопрочные материалы
Стали с пределом прочности более 1500 МПа, при удовлетворительной пластичности и вязкости называются высокопрочными. Высокая прочность достигается подбором стали и специфической обработкой. К высокопрочным сталям относят:
· стали обычного состава, но мелкозернистые и высокочистые;
· никелесодержащие стали (18Х2Н4ВА), кроме того стали легированные кобальтом;
· особомелкозернистые стали № зерна 13-14 (30Х5М2СФА после ВТМО);
· стали со структурой среднеуглеродистого мартенсита после МТО. Здесь после небольшой пластической деформации уже термически обработанной стали прочность не возрастает, предел текучести достигает практически предела прочности;
· стали с карбонитридным упрочнением, в результате которого образуются упрочняющие дисперсные карбонитридные фазы при легировании стали ванадием и ниобием (иногда дополнительно алюминием и титаном) в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0.030 %). 15ГФ, 15Г2СФ и 10Г2Б.
· стали интерметаллидного упрочнения (мартенсито - стареющие), в которых при закалке получатся практически безуглеродный мартенсит, а затем при отпуске происходит выделение интерметаллидных фаз (Н18К9М5Т, Н18К12М5Т2, Н16К4М5Т2Ю);
· трип - стали, в них состав должен быть таков, чтобы закалкой (с 1000 - 1100° С) фиксировалась при комнатной температуре чистая аустенитная структура (точка Мн должна лежать ниже комнатной температуры, а Мd - выше (Мd - температура, выше которой деформация не вызывает мартенситного превращения). Типичный состав трип - стали таков: 0,3 % С, 9 % Сг, 8 % Ni, 4 % Мо, 2 % Мп, есть и другие составы.
Особенно важное свойство сталей - высокое сопротивление развитию трещины, что связывается с долговечностью материала.
К высокопрочным материалам принадлежат композиты с волоконным армированием нитевидными кристаллами, дисперсноупрочненные композиты и композиты направленной кристаллизации - эвтектические композиционные материалы.
Рессорно-пружинные стали
К этому типу сталей относятся среднеуглеродистые (до 0,5- 0,7% С), низко и среднелегированные стали.
Основные требования: высокое сопротивление малым пластическим деформациями (высокий предел упругости), стойкость к релаксации напряжении, высокий предел выносливости при достаточной пластичности, способность сопротивляться хрупкому разрушению, прокаливаемость. Не допускается остаточная деформация.
Основные легирующие элементы: кремний, марганец, никель, хром упрочняют феррит и повышают предел упругости, приближая его к значениям временного сопротивления, а также увеличивают прокаливаемость. Дополнительное легирование вольфрамом, ванадием, молибденом повышает устойчивость против отпуска, измельчает зерно.
Термическая обработка: закалка (820-870°С) в масло, отпуск при 400-520°С на структуру троостит отпуска (троостомартенсит).
Срок службы рессор может быть повышен гидроабразивной и дробеструйной обработкой (поверхностный наклеп), при этом на поверхности создаются напряжения сжатия, способствующие повышению предела выносливости. Повысить свойства пружин можно патентированием и последующей протяжкой пружинной проволоки со степенью деформации > 70 %.
Применение: рессоры и пружины различного назначения.
Марки рессорно-пружинных сталей: 65Г, 60С2, 70СЗА, 50ХГА, 50ХФА, 60С2ХФА, 65С2ВА
60С2Н2А.
Износостойкие стали
Износостойкие конструкционные стали обладают высоким сопротивлением изнашиванию. Изнашивание – это процесс постепенного разрушения поверхностных слоев трущихся деталей, который приводит к уменьшению их размеров (износу). Их можно разделить на три группы:
· шарикоподшипниковые
· высокомарганцовистые
· графитизированные.
Шарикоподшипниковую сталь рекомендуют для работы в условиях истирающего износа (трения качения, трения скольжения). В подобных условиях работают детали типа ролико- и шарикоподшипников, валы, детали дорожных машин. Для увеличения прокаливаемости в состав стали вводит легирующие элементы (Сг, Si, Мп), содержание которых зависит от размеров деталей.
Маркировка: буквы ШХ и цифра, показывающая содержание хрома в десятых долях процента (ШХ6 - 0,6% хрома). Содержание углерода в них около 1%.
Основные требования: высокая твердость, износостойкость, сопротивление контактной усталости в сочетании с хорошей вязкостью. К этим сталям предъявляют повышенные требования в отношении количества неметаллических включений, пористости, карбидной полосчатости. Наличие этих дефектов может привести к выкрашиванию в зоне контакта поверхностей шариковкладыша.
Применение: шарики, ролики, кольца подшипников.
Термическая обработка: закалка с температуры 840-860°С в масло, нагретое до 60°С, отпуск при 150-170°С. Рабочая структура: мартенсит отпуска с равномерно распределенными карбидами типа (Fe,Cr)3C. He допускается карбидная неоднородность
Износостойкая высокомарганцовистая сталь применяется для работы в условиях изнашивания при больших ударных нагрузках - 110Г13 или 110Г13Л. Это высокоуглеродистая, высоколегированная сталь аустенитного класса- сталь Гатфильда.
Состав стали: 0,9 - 1,3 %С; 11,5 - 14,5 % Мп; 0,3 - 1,0 %Si; < 0,05 S; < 0,12 % Р.
Отношение % марганца к % углерода должно быть не менее 10.
Она имеет невысокую твердость, которая при действии давления и ударов резко повышается, образуется поверхностный наклеп, а это приводит к росту твердости и износостойкости при сохранении хорошей вязкости.
Термическая обработка: закалка с нагревом до 1100°С, с охлаждение в воде. При нагреве избыточные карбиды (Fe, Mn)3C, Мп3С, присутствующие в структуре литой стали и снижающие ее свойства, растворяются в аустените. После охлаждения в воде сталь имеет аустенитную структуру.
Применение. Сталь широко используют для отливок, работающих в условиях ударно-разивного износа: траки гусеничных машин (тракторы, танки), щеки дробилок, зубья ковша экскаваторов, крестовины трамвайных и железнодорожных путей.
Графитизированнная сталь применяется для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения, скольжения. Эту сталь получают из высокоуглеродистой стали (1,5-2 % С) с повышенным содержанием кремния, который способствует графитизации.
Графит играет роль смазочного материала, предотвращающего схватывание контактирующих поверхностей.
