Конструкційні машинобудівні леговані поліпшувані сталі
Конструкційними поліпшуваними сталями називають сталі, які використовуються після гартування і високого відпуску (поліпшення). Сталі містять 0,3…0,5 % вуглецю, і їх піддають гартуванню при 820…880 °С (залежно від складу) в маслі (великі деталі охолоджують у воді) і високому відпуску при 500…650 °С. Після такої обробки структура сталі – сорбіт відпуску. Сталі повинні мати високу границю плинності, малу чутливість до концентраторів напружень, а у виробах, що працюють при багаторазових навантаженнях, – високу границю витривалості і достатній запас в'язкості. Крім того, поліпшувані сталі повинні мати високу прогартовуваність і малу чутливість до відпускної крихкості.
Оптимальне поєднання міцності і пластичності після поліпшення досягається, якщо переріз виробу відповідає критичному діаметру (95 % мартенситу) для даної сталі.
Механічні властивості сталей в першу чергу визначаються концентрацією в них вуглецю, від кількості якого залежить і загартовуваність сталі. Прогартовуваність визначається присутністю легуючих елементів. В умовах повної прогартовуваності механічні властивості мало залежать від характеру легування. Виняток становлять нікель і молібден, які підвищують опір крихкому руйнуванню. Проте не слід прагнути використовувати сталі з надмірно високою прогартовуваністю, оскільки необхідний для цього високий вміст хрому, марганцю і кремнію сприяє підвищенню схильності до крихкого руйнування.
Леговані сталі, що глибоко гартуються, застосовують для габаритних деталей зі значною товщиною стінки або з великим діаметром. Якщо деталі працюють на вигин (кручення), напруження по перерізу розподіляються нерівномірно: на поверхні вони максимальні, а всередині або в центрі дорівнюють нулю. Для таких деталей крізна прожарюваність не потрібна. У цьому випадку для забезпечення міцності деталі загартований шар зі структурою 95 % мартенситу повинен розташовуватися на глибині не менше 0,5 радіуса від поверхні. Для деталей, що працюють на розтяг (шатуни, торсіонні вали, відповідальні болти та ін.), потрібно забезпечити наскрізну прогартовуваність по всьому перерізу (95 % мартенситу в центрі деталі).
При виборі сталі слід ураховувати, що легуючі елементи підвищують стійкість мартенситу проти відпуску, тому для отримання необхідних міцності і твердості леговані сталі при поліпшенні піддають відпуску за більш високої температури. Це дозволяє не тільки повніше зняти напруження від гартування, але й одержати в сталі краще поєднання міцності і в'язкості.
Для виробів, що потребують високих значень ан, aр і низького порога холодноламкості (які працюють при низьких температурах з високими швидкостями прикладання навантаження і за наявності концентраторів напружень), слід застосовувати дрібнозернисті спокійні сталі, переважно леговані нікелем і молібденом.
У табл. 10.4 наведені приклади конструкційних легованих поліпшуваних сталей. Зазначені режими термічної обробки і механічні властивості відносяться до стандартних зразків. Режими термічної обробки і властивості виробу, як правило, дещо відрізняються від наведених у табл. 10.4.
Хромові сталі. Для виготовлення середньонавантажених деталей застосовують хромові сталі марок 30Х, 38Х, 40Х і 50Х (див. табл. 10.4). Зі збільшенням концентрації вуглецю зростає міцність, але знижуються пластичність і в'язкість.
Прогартовуваність хромових сталей 30Х, 40Х і 50Х невелика. Критичний діаметр для 95 % мартенситу не перевищує 25…35 мм. Хромові сталі схильні до відпускної крихкості, тому після високого відпуску охолоджування повинне бути швидким: для дрібних деталей – в маслі, для великих – у воді.
Сталь 30Х рекомендується для виготовлення деталей невеликих розмірів (осі, вали, важелі, болти, гайки). Сталі 38Х і 40Х мають підвищену міцність, їх застосовують для колінчастих валів, осей, шестерень, болтів відповідального призначення, а сталі 45Х і 50Х – для виробів, що працюють на знос без значних ударних навантажень (великі шестерні, деякі вали).
Додавання бору (0,002…0,005 %) збільшує прогартовуваність хромових сталей, але дещо підвищує поріг холодноламкості.
Прогартовуваність сталі з бором (35ХР, 40ХР) порівняно висока. Критичний діаметр (95 % мартенситу) при гартуванні у воді становить 30…45, а в маслі – 20…30 мм.
Додавання 0,1…0,2 % V (40ХФА) підвищує механічні властивості хромових сталей, головним чином в'язкість, унаслідок кращого зв’язування газів і подрібнення зерна без збільшення прогартовуваності. Ці сталі застосовують для виробів, що працюють при підвищених динамічних навантаженнях (шатуни, шестерні).
Хромомарганцеві сталі.Одначасне легування хромом і марганцем (0,9…1,2 % кожного) дозволяє одержати сталі з достатньо високими міцністю і прогартовуваністю. Сталі 40ХГ і 40ХГР застосовують для виготовлення деталей перерізом 30…40 мм. Проте хромомарганцеві сталі мають знижену в'язкість, підвищений поріг холодноламкості (від +20 до –60 °С), схильність до відпускної крихкості і росту зерна аустеніту при нагріванні. Додавання до сталі титану (30ХГТ) забезпечує хромомарганцевій сталі меншу схильність до перегріву.
Xромокремнієвомарганцеві сталі– хромансиль (20ХГС, 25ХГС і 30ХГС) – мають високі міцність і зварюваність. Їх застосовують у вигляді листів і труб для відповідальних зварних конструкцій (наприклад, у газотурбобудуванні).
Таблиця 10.4.Хімічний склад, термічна обробка та механічні властивості деяких легованих поліпшуваних сталей
| Сталь | Концентрація елементів, % | Режими термічної обробки | sв | s0,2 | d | y | ан, МДж/м² | Поріг холодноламкості, ˚С | |||||||||
| C | Mn | Cr | Ni | Інші елементи | tгарт,˚С, середовище | tвідп, ˚С; середовище | МПа | % | tв | tн | |||||||
| Сталі, що прогартовуються в перерізах до 25…35 мм | |||||||||||||||||
| 30Х | 0,24…0,32 | 0,5…0,8 | 0,8…1,1 | – | – | 860, м. | 500, в.,м. | 0,7 | –100 | ||||||||
| 40Х | 0,36…0,44 | 0,5…0,8 | 0,8…1,1 | – | – | 860, м. | 500, в., м. | 0,6 | –100 | ||||||||
| 40ХФА | 0,37…0,44 | 0,5…0,8 | 0,8…1,1 | – | 0,10…0,18V | 880, м. | 650, в., м. | 0,9 | –100 | ||||||||
| Сталі, що прогартовуються в перерізах до 50…75 мм | |||||||||||||||||
| 40ХГТР | 0,38…0,45 | 0,7…1,0 | 0,8…1,1 | – | 0,03…0,09Ti | 840, м. | 550, в., м. | 0,8 | – 60 | ||||||||
| 30ХГС | 0,28…0,35 | 0,8…1,1 | 0,8…1,1 | – | 0,09…1,20Si | 880, м. | 540, в., м. | 0,45 | – 60 | ||||||||
| 40ХН | 0,36…0,44 | 0,5…0,8 | 0,45…0,75 | 1,1…1,4 | – | 820, м. | 550, в., м. | 0,7 | –30 | –100 | |||||||
| Сталі, що прогартовуються в перерізах до 75…100 мм | |||||||||||||||||
| 30ХН3А | 0,27…0,33 | 0,3…0,6 | 0,6…0,8 | 2,75…3,15 | – | 720, м. | 530, в., м. | 0,8 | –40 | –120 | |||||||
| 40ХН2МА | 0,37…0,44 | 0,5…0,8 | 0,6…0,9 | 1,25…1,65 | 0,15…0,25 Mo | 850, м. | 620, пов. | 0,8 | –40 | –120 | |||||||
| Сталі, що прогартовуються в перерізах понад 100 мм | |||||||||||||||||
| 36Х2Н2МФА | 0,33…0,40 | 0,25…0,50 | 1,3…1,7 | 1,3…1,7 | 0,2…0,3 Мо | 850, м. | 600, пов. | 0,8 | –60 | –120 | |||||||
| 38ХН3МФА | 0,33…0,40 | 0,25…0,50 | 1,2…1,5 | 3,0…3,5 | 0,35…0,45Mo 0,10…0,18 V | 850, м. | 600, пов. | 0,8 | –60 | –140 | |||||||
Примітка. Використані такі позначення: в. – вода; м. – масло; пов. – повітря; tн - температура, нижче від якої злам повністю крихкий; tв – температура, вище від якої злам повністю в’язкий.
Сталь 30ХГС піддають поліпшенню (див. табл. 10.4) або ізотермічному гартуванню на нижній бейніт у розплавленій солі при 280…310 °С, що надає їй ще більш високих механічних властивостей (σв = 1650 МПа; σ0,2 = 1300 МПа; δ = 9 %; ψ = 40 % і ан= 0,4 МДж/м²) і знижує чутливість до надрізів.
Сталі хромансиль схильні до оборотної відпускної крихкості і зневуглецювання при нагріванні.
Більш висока прогартовуваність, критичний діаметр для гартування у воді понад 100 мм і маслі понад 75 мм, краща в'язкість досягаються при додаванні до сталі хромансиль 1,4…1,8 % Ni (30ХГСНА). Після ізотермічного гартування або гартування в маслі (на повітрі) з низьким відпуском при 200 °С ця сталь має σв = 1650 МПа; σ0,2 = 1400 МПа; δ = 9 % і ан = 0,6МДж/м².
Високоміцну сталь 30ХГСНА та її аналог 30ХГСНМА широко застосовують для виготовлення дуже відповідальних деталей, у тому числі зварних.
При використанні високоміцних сталей (30ХГС, 30ХГСНА та ін.) необхідно враховувати, що вони чутливі до концентраторів напружень, особливо після звичайного гартування і відпуску, до окрихчування в результаті насичення воднем (наприклад, при гальванічному покритті або при травленні) і корозії під навантаженням.
Хромонікелеві сталі.Завдяки підвищеній стійкості переохолодженого аустеніту (див. рис. 10.1) хромонікелеві сталі мають високу прогартовуваність, значну міцність і в'язкість. Їх застосовують для виготовлення великих виробів складної конфігурації, які працюють при вібраційних і динамічних навантаженнях. Нікель забезпечує найбільший запас в'язкості, а в поєднанні з хромом – більшу прогартовуваність; сильно знижує, особливо в поєднанні з молібденом, поріг холодноламкості. Чим вища концентрація нікелю, тим нижча допустима температура застосування сталі і вищий її опір крихкому руйнуванню. У поліпшувані сталі рекомендується вводити близько 3,0 % Ni. При більшій концентрації нікелю утворюється багато залишкового аустеніту.
Для важконавантажених деталей з діаметром перерізу до 70 мм використовують хромонікелеві сталі 40ХН, 45ХН і 50ХН, які мають високі механічні властивості.
Хромонікельмолібденові сталі. Хромонікелеві сталі схильні до оборотної відпускної крихкості, для усунення якої багато дрібних деталей з цієї сталі охолоджують після високого відпуску в маслі, а більш і – у воді. Проте навіть охолоджування у воді для великогабаритних деталей з глибокопрогартованих хромонікелевих сталей не забезпечує достатньо швидкого охолодження внутрішніх частин, в яких розвивається відпускна крихкість. Для запобігання ій сталі додатково легують молібденом (сталь 40ХН2МА) або вольфрамом. Невеликі деталі з цих сталей (див. табл. 10.4) після високого відпуску можна охолоджувати на повітрі, а більші – в маслі.
Хромонікельмолібденованадієві сталі.Нерідко в хромонікелеву сталь окрім молібдену (вольфраму) додають ванадій, який сприяє отриманню дрібнозернистої структури. Прикладом сталей, легованих Cr, Ni, Mo і V, можуть бути сталі 38ХН3МФ і 36Х2Н2МФА. Велика стійкість переохолодженого аустеніту забезпечує високу прогартовуваність цих сталей (критичний діаметр понад 100 мм), що дозволяє зміцнювати термічною обробкою великі деталі. Навіть у дуже великих перерізах (1000…1500 мм і більше) в серцевині після гартування утворюється бейніт, а після відпуску – сорбіт. Указані сталі мають високі міцність, пластичність і в'язкість та низький поріг холодноламкості (див. табл. 10.4). Цьому сприяє висока концентрація нікелю. Молібден, присутній в сталі, підвищує її теплостійкість. Ці сталі можна використовувати при 400…450 °С.
Недоліками високолегованих хромонікельмолібденованадієвих сталей є трудність їх обробки різанням і велика схильність до утворення флокенів. При виявленні їх хоча б в одній поковці, бракують усі поковки даної плавки. Сталі застосовують для виготовлення найвідповідальніших деталей турбін і компресорних машин, для яких потрібен матеріал особливої міцності у великих перерізах (поковки валів і суцільнокованих роторів турбін, вали високонапружених трубоповітродувних машин, деталі редукторів і т. ін.).
Високоміцні сталі
Високоміцними називають сталі, які мають границю міцності 1500… 2000 МПа і більше. Цим сталям необхідно мати достатній запас пластичності і в'язкості. До високоміцних сталей належать:
середньовуглецеві комплексно-леговані сталі, що використовуються після гартування з низьким відпуском або після термомеханічної обробки (30ХГСН2А, 40ХН2МА, 38ХН3МА);
мартенситностаріючі сталі (03Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т);
метастабільні аустенітні сталі (трип-сталі).
Із середньовуглецевих комплексно-легованих сталей частіше використовується, особливо в літакобудуванні, сталь 30ХГСН2А, яка поліпшується завдяки додаванню 1,6 % Ni. Ця сталь використовується для виготовлення деталей фюзеляжу, шасі, силових зварних конструкцій тощо; застосовується як у низьковідпущеному стані, так і після ізотермічного гартування, яке в порівнянні з першим варіантом термообробки забезпечує меншу чутливість до надрізу і більш високий опір руйнуванню.
Термомеханічна обробка (ТМО), що поєднує в одному технологічному процесі пластичну деформацію аустеніту і гартування, забезпечує середньовуглецевим легованим сталям типу 30ХГСН2А і 40ХН2МА високу міцність (σв = 2000…2800 МПа на невеликих дослідних зразках) при достатній пластичності (δ = 8…6 %) і в'язкості (KCU = 0,30…0,15 МДж/м²).
Мартенситностаріючі сталі поєднують високі міцнісні властивості з високими пластичністю і в'язкістю. Досягається це легуванням і спеціальною термічною обробкою. Їх достоїнства – висока технологічна пластичність при обробці тиском у широкому інтервалі температур; відсутність тріщиноутворення при охолоджуванні з будь-якими швидкостями після обробки тиском; висока зварюваність. Недоліком цих сталей є схильність до ліквації. Мартенситностаріючі сталі належать до високолегованих сталей. Основним легуючим елементом є нікель (10…26 %). Крім того, розрізняючись за складом, різні марки цих сталей містять 7…9 % С; 4,5…5,0 % Мо; 5…11 %Сr; 0,1…0,35 % Аl; 0,15…1,60 % Ti; іноді 0,3…0,5 % Nb; до 0,2 % Si та Mn; до 0,01 %S та Р. Титан та алюміній вводять для утворення інтерметалідів.
У мартенситностаріючих сталях прагнуть одержати мінімальну кількість вуглецю (менше 0,03 %), оскільки вуглець, утворюючи з легуючими елементами карбіди, сприяє окрихчуванню сталей. При цьому також знижується вміст легуючих елементів у твердому розчині. Термічна обробка таких сталей полягає в гартуванні при 800…860 °С, охолоджуванні на повітрі і наступному відпуску–старінні.
Легуючі елементи із залізом утворюють тверді розчини заміщення. Тому при гартуванні мартенситне перетворення відбувається за іншим механізмом, тобто утворюється рейковий (масивний) мартенсит, для якого характерна висока щільність дислокацій (до 1011…1012 см). Для їх закріплення потрібно більше ніж 0,2 % вуглецю, а в цих сталях його вміст не перевищує 0,03 %. Крім того, нікель і кобальт зменшують ступінь закріплення дислокацій атомами вуглецю та азоту, знижують опір ґратки мартенситу ковзанню дислокацій, тому дислокації в цих сталях після гартування мають високу рухомість, сталь дуже пластична. Після гартування σв =900…1000 МПа, а δ = 14…20 %, y = 70…80 % і KCU = 2,0…3,0 МДж/м².
Вироби з цих сталей одержують пластичною деформацією після гартування заготовок. Дислокаційна структура, отримана після гартування, дуже стійка, зберігається при нагріванні до 500 °С.
Зміцнення сталі відбувається в процесі відпуску–старіння, який проводять при 480…500 °С, за рахунок перерозподілу легуючих елементів (рис. 10.2). Це приводить до утворення зон концентраційної неоднорідності і виділення інтерметалідних фаз NiTi, Ni3(Ti, Al), FeMo2 у високодисперсному стані. Найбільше зміцнення спостерігається, коли інтерметалідні фази знаходяться на стадії перед виділенням, тобто коли вони ще когерентно зв'язані з твердим розчином і їх розмір не перевищує 2…5 нм.
Відомо, що в твердому стані зародження нової фази відбувається переважно на дефектах ґратки, зокрема на дислокаціях. Дисперсні частинки, виділяючись на дислокаціях, закріплюють їх. Дислокації втрачають рухомість, міцність збільшується. Чим дрібніші частинки інтерметалідів, тим більше зміцнення сталі. Звідси такий вузький інтервал нагріву при старінні.
Установлено, що чим вищий вміст нікелю, тим значніше зміцнення сталі при однаковій концентрації алюмінію і титану. Якнайкраще поєднання властивостей відбувається при введенні у сталь 20…25 % Ni. Після термічної обробки мартенситностаріючих сталей одержують σв = 2400…2800 МПа при δ = 12 %, y = 40 % і KCU = 1 МДж/м² (табл. 10.5).
Висока вартість легуючих елементів, а також дефіцитність нікелю і кобальту обмежують широке застосування таких сталей. Тому з'явилися так звані "економнолеговані" мартенситностаріючі сталі: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Д2ТЮ, Н8Г3М4 та ін.
Мартенситностаріючі сталі використовують для виготовлення шасі літаків, оболонок космічних літальних апаратів, прецизійних хірургічних інструментів і штампів тощо, а також для кріогенної техніки, оскільки і при від’ємних температурах вони мають високу міцність у поєднанні з достатньою пластичністю.
Таблиця 10.5.Концентрація і механічні властивості мартенситностаріючих сталей
| Сталь | Концентрація легуючих елементів, % | Механічні властивості | |||||
| Ni | Co | Mo | Ti | sв, МПа | y, % | KCU, Дж/м² | |
| Н18К9М5Т Н18К8М3 Н12К15М10 Н18К12М5Т Н10Х11М2Т | – | 0,9 0,2 – 1,5 0,9 | 0,5 0,8 0,3 0,2 0,5 |
Ресорно-пружинні сталі
Пружини, ресори та інші пружні елементи працюють в області пружної деформації матеріалу. У той же час багато з них зазнають дії циклічних навантажень. Тому основні вимоги до пружинних сталей – це забезпечення високих показників границь пружності, плинності, втоми, витривалості, а також необхідної пластичності та опору крихкому руйнуванню.
Для отримання цих властивостей сталі повинні містити більше ніж0,5 % вуглецю після гартування і відпуску при 400…520 °С (табл. 10.6). Для вуглецевих пружинних сталей після термічної обробки σ0,2 > 800 МПа, для легованих сталей σ0,2 > 1000 МПа.
Сталі повинні мати високу прогартовуваність. Після гартування мартенситна структура має бути по всьому об'єму. Присутність після гартування продуктів евтектоїдного або проміжного перетворення, фериту, перліту, а також залишкового аустеніту погіршує всі пружинні властивості. Чим дрібніше зерно, тим вищий опір сталі малим пластичним деформаціям. Наявність зневуглецьованого шару на готових пружинах різко знижує границі пружності і витривалості.
Для пружин малого перерізу, загартованих у маслі, і тих, які зазнають невисоких напружень, застосовують вуглецеві сталі 65, 70, 75, 85. У разі великих перерізів (d =5…8 мм) гартування вуглецевих сталей виконують у воді.
Шляхом легування можна підвищити температуру відпуску (вище за інтервал розвитку необоротної відпускної крихкості), що разом з високим опором малим пластичним деформаціям дозволяє набути якісної пластичності і в'язкості.
Сталі для пружин і ресор додатково легують кремнієм (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), хромом (до 1,2 %), ванадієм (до 0,25 %), вольфрамом (до 1,2 %) та нікелем (до 1,7 %). При цьому відбувається здрібнення зерен, що сприяє підвищенню опору малим пластичним деформаціям, а отже, збільшується їх релаксаційна стійкість.
У промисловості найчастіше застосовують кременисті сталі 55С2, 60С2А, 70С3А. Унаслідок того що кремній підвищує прогартовуваність, затримує розпад мартенситу при відпуску і значно зміцнює ферит, кременисті сталі 50С2, 55С2 і 60С2 мають високі границі плинності та пружності. Кременисті сталі застосовують для виготовлення пружин вагонів, багатьох автомобільних ресор, у верстатобудуванні, для торсіонних валів та ін. Проте ці сталі схильні до зневуглецювання, утворення поверхневих дефектів під час гарячої обробки і до графітоутворення, що знижує границю витривалості. Додаткове легування кременистих сталей Сr, Мn, W, Ni збільшує їх прогартовуваність і зменшує схильність до зневуглецювання, графітизації і росту зерна під час нагрівання.
Таблиця 10.6. Режими термічної обробки та механічні властивості пружинних сталей
| Марка сталі | Температура, ˚С | Механічні властивості (не менше) | ||||
| гартування | відпуску | s0,2 | sв | d | y | |
| МПа | % | |||||
| 50С2 55С2А 70С3А 60С2ХФА 65С2ВА 60С2Н2А |
Сталі 60С2ХФА і 65С2ВА, які мають високі прогартовуваність, міцність (див. табл. 10.6) і стійкість релаксації, застосовують для великих високонавантажених пружин і ресор. Коли пружні елементи працюють в умовах сильних динамічних навантажень, застосовують сталь з нікелем 60С2Н2А.
Для виготовлення автомобільних ресор широко застосовують сталь 50ХГА, яка за технологічними властивостями перевершує кременисті сталі. Для клапанних пружин рекомендується сталь 50ХФА, не схильна до перегріву і зневуглецювання. Проте ця сталь має малу прогартовуваність і може застосовуватися тільки для пружин з перерізом дроту d ≤ 5…6 мм. Для збільшення прогартовуваності сталь легують марганцем (50ХГФА), який знижує ударну в'язкість. Оптимальна твердість ресор для забезпечення максимальної границі витривалості становить 42…48 HRC; при більш високій твердості границя витривалості знижується. Границя витривалості сталі, а отже, і довговічність ресор та пружин різко знижуються за наявності на поверхні різних дефектів (вибоїн, рисок, подряпин і т. ін.), які є концентраторами напружень. Тому для виготовлення високонавантажених деталей застосовують холоднотягнуті шліфовані матеріали.
Термічна обробка легованих пружинних сталей (гартування при 850…880 °С, відпуск при 380…550 °С) забезпечує отримання високих значень міцності (σВ = 1200…1900 МПа) і плинності (σ0,2 = 1100…1700 МПа) при пластичності δ = 5…12 % (див. табл. 10.6). Також застосовується ізотермічне гартування.
Термін служби ресор може бути підвищено гідроабразивною і дробоструминною обробкою (поверхневим наклепуванням), що створює в поверхневих шарах залишкові напруження стиску та знижує робочі напруження розтягу в зовнішніх волокнах. Після дробоструминної обробки границя витривалості підвищується в 1,5…2,0 рази.
Для виготовлення пружин використовують патентовані холоднотягнуті дріт і стрічку з високовуглецевих сталей 65, 65Г, 70, У8, У10. Високих механічних властивостей дроту досягають при застосуванні патентування з подальшим протягуванням при ступені деформації не менше 70 %. Границя міцності дроту після 95%-ї деформації (діаметр дроту 1,4 мм) досягає 2600 МПа. Пружини після холодного навивання піддають відпуску при 210…320 ºС для зняття напружень, підвищення границі пружності і релаксаційної стійкості. Найчастіше використовують сталь, виготовлену у вигляді дроту діаметром від 6,0 до 0,15 мм з границею міцності 1360…2200 МПа. Загартована стрічка має границю міцності 750…1200 МПа.
Пружини та інші елементи спеціального призначення виготовляють з високохромистих мартенситних (30Х13), мартенситностаріючих (03Х12Н10Д2Т), аустенітних нержавіючих (12Х18Н10Т), аустенітно-мартенситних (09Х15Н8Ю) та інших сталей і сплавів.
Шарикопідшипникові сталі
Підшипники кочення працюють в умовах котіння кульок (або роликів) по зовнішньому і внутрішньому кільцях. При цьому деталі сприймають великі змінні місцеві розтяжні, стискальні, сколюючі навантаження, а також зазнають спрацювання. Найчастішою причиною відмови підшипників є злам, руйнування поверхонь тіл кочення і робочих поверхонь кілець, а також утомне вищерблювання робочих поверхонь деталей підшипника. Сталі деталей підшипників повинні добре оброблюватися з отриманням чистих гладких поверхонь при шліфуванні і поліруванні, мати високу загартовуваність, зберігати розміри і форму під час гартування, мати високу зносостійкість у загартованому стані та зберігати розміри при роботі.
Для виготовлення тіл кочення і підшипникових кілець невеликих розмірів звичайно використовують високовуглецеву хромисту сталь ШХ15 (0,95…1,05 % С і 1,30…1,65 % Сr), а великих розмірів – хромомарганцевокременисту сталь ШХ15СГ (0,95…1,05 % С, 0,9…1,2 % Мn, 0,40…0,65 % Si та 1,30…1,65 % Сr), що прогартовується на велику глибину. Сталі характеризуються високими твердістю, зносостійкістю та опором контактній втомі. До сталей ставляться високі вимоги щодо вмісту неметалевих включень і кисню, оскільки вони викликають передчасне руйнування від утомленості. Недопустима також неоднорідність виділення карбідів.
Застосування електрошлакової та вакуумно-дугової переплавок зменшує кількість неметалевих включень (сульфідів, оксидів та ін.), підвищує довговічність підшипників. Якщо застосовано електрошлакову переплавку, до марки сталі додається буква Ш, а при вакуумно-дуговій переплавці – букви ВД (наприклад, ШХ15Ш, ШХ15ВД). Сталі виготовляють у вигляді прутків, труб і дроту. Для гарячого штампування сталі поставляються без відпалу, для холодної механічної обробки – у відпаленому стані. Після відпалу сталі набувають однорідної структури дрібнозернистого перліту з дрібними включеннями вторинних карбідів. Така структура забезпечує задовільну оброблюваність різанням і достатню пластичність при холодному штампуванні кульок і роликів; твердість після відпалу 179…207 НВ. Кільця, кульки і ролики проходять гартування при 840…860 °С в маслі з температурою 30…60 °С і відпуск при 150…170 °С. Перед відпуском для зменшення кількості залишкового аустеніту деталі підшипника охолоджуються до температури не вище 20…25 °С. Це підвищує стабільність розмірів деталей. Для підшипників, які повинні мати особливо високу стабільність розмірів, іноді застосовують обробку холодом при –70…–80 °С.
Для отримання оптимального поєднання міцності і контактної витривалості кільця і ролики підшипників повинні мати після гартування відпускну твердість 61…65 HRC для сталі ШХ15 і 60…64 HRC для сталі ШХ15СГ, а кульки – 62…66 HRC.
Для виготовлення деталей підшипників кочення, що працюють при значних динамічних навантаженнях, застосовують сталі, що цементуються: 20Х2Н4А і 18ХГТ. Після газової цементації на глибину 1,2…3,5 мм, високого відпуску, гартування і відпуску при 160…170 °С деталі підшипника зі сталі 20Х2Н4А мають на поверхні 58…62 HRC і в серцевині 35…45 HRC.
Деталі підшипника кочення зі сталі 18ХГТ піддають цементації або ціануванню на глибину 0,9…1,8 мм. Після гартування і низького відпуску вони мають 61…65 HRC.
Процес об'ємно-поверхневого гартування застосовується у виробництві кілець важконавантажених роликових підшипників для букс залізничних вагонів. Для виготовлення цих деталей застосовують високовуглецеву сталь ШХ4 (0,95…1,05 % С; 0,15…0,30 % Si; 0,15…0,30 % Мn; 0,35…0,50 % Сr) з регламентованою прогартовуваністю, яка має перед гартуванням структуру зернистого перліту. Підготовлені на гартування кільця нагрівають у спеціальному автоматичному верстаті індукційним способом наскрізно, після чого здійснюють короткоізотермічну витримку при 850 °С. Гартування виконують у гартівній камері, де поверхні кілець з великою швидкістю омиваються потоком води. Потім відбувається низький відпуск (160 °С, 4 год). Після такої термічної обробки (внаслідок обмеженої прогартовуваності сталі ШХ4) на кільцях завтовшки 14 мм утворюється загартований шар зі структурою мартенситу завтовшки 2,5…3,5 мм з твердістю 60…63 HRC, а серцевина набуває структури трооститу і сорбіту гартування з твердістю 35…40 HRC. Кільця роликових підшипників, оброблені в такий спосіб, мають високі показники конструктивної міцності.
Кільця і тіла кочення підшипників, що працюють в агресивних середовищах (морській воді, азотній кислоті тощо), виготовляють з високохромистих сталей, які містять близько 1 % вуглецю та поєднують необхідний рівень корозійної стійкості з високою твердістю після гартування і низькотемпературного відпуску.
Корозійностійкі підшипникові сталі отримують електрошлаковою або вакуумно-дуговою переплавкою. Сталь 95Х18-Ш використовують для виготовлення деталей підшипників середніх і великих розмірів, які працюють в агресивних середовищах. Малогабаритні, прецизійні, а також корозійно- і теплостійкі підшипники для роботи при температурах до 350 °С виготовляють з корозійностійкої сталі 110Х18М-ШД. Для виготовлення деталей теплостійких підшипників також застосовують сталь 8Х4В9Ф2 (ЭИ347), яка після гартування при 1230 °С та подвійного відпуску при 565…580 °С має твердість 59…65 HRC (рис. 10.3). У зв’язку з низькою теплопровідністю нагрівання сталі до температури гартування (1230 °С) виконують ступінчасто, з підігріванням до 600 °С і потім до 850…900 °С (рис. 10.4).
Рис. 10.3. Вплив температури відпуску на твердість сталі 8Х4В9Ф2
Рис. 10.4. Схема гартування і подвійного відпуску (І, ІІ) сталі 8Х4В9Ф2:
– розчинення карбідів в аустеніті;
– виділення карбідів М6С
Зносостійкі сталі
Спрацювання деталей машин та апаратів є складним процесом. Типовими різновидами є звичайне тертя ковзання та абразивний знос. У першому випадку метал наклепується з поверхні, тому зносостійкість істотно залежить від здатності металу наклепуватися. У другому випадку, коли частинки металу відриваються з поверхні, зносостійкість визначається твердістю та опором відриву. Зносостійкість може бути підвищена хіміко-термічною обробкою.
Графітизовані сталі мають підвищену концентрацію вуглецю (до 1,75 %) та кремнію (до 1,6 %). Кремній вводять як графітизуючий елемент. Частина вуглецю в цих сталях після графітизуючого відпалу (що нагадує відпал для отримання ковкого чавуну) виділяється у вигляді графіту. Після термічної обробки структура сталі складається із зернистого перліту з деякою кількістю дрібних округлих включень графіту. При неабразивному зносі графіт відіграє роль мастила, що запобігає сухому тертю і з'єднанню. Крім того, ці сталі мають антивібраційні властивості. Графітизовану сталь використовують для виготовлення штампів, матриць, колінчастих валів, куль, лопатей, дробоструминних апаратів і т. ін.
Для деталей, що працюють під впливом абразивного тертя і високих тиску та ударів одночасно (наприклад, траки деяких гусеничних машин, щоки дробарок, черпаків землечерпальних машин, хрестовини залізничних і трамвайних колій і т. п.), застосовують високомарганцевисті литі аустенітні сталі, які містять 0,9…1,3 % С і 11,5…14,5 % Мn (сталі Гадфільда). Структура такої сталі після лиття складається з аустеніту і надлишкових карбідів (Fe, Мn)С, які виділяються по границях зерен, що знижує міцність і в'язкість сталі. У зв'язку з цим литі вироби гартують нагріванням до 1050…1100 °С з охолоджуванням у воді. За цієї температури розчиняються карбіди, і сталь після гартування набуває аустенітної структури. Зокрема, після гартування сталь 110Г13Л (1,25 % С, 13 % Мn, 1 % Cr, 1 % Ni) має такі механічні властивості: σв = 800…900 МПа, σ0,2 = 310…350 МПа, δ = 34…53 %, y = 34…43 %, 180…250 НВ. У загартованому стані сталі 110Г13Л зі структурою аустеніту притаманні низькі показники границі плинності, які становлять близько третини від границі міцності. Але під впливом холодного пластичного деформування марганцевий аустеніт сильно зміцнюється. Так, при пластичній деформації на 60…70 % твердість сталі 110Г13Л підвищується з 210 до 530 НВ. Висока зносостійкість сталі досягається не тільки деформаційним зміцненням аустеніту, але й утворенням у поверхневих шарах мартенситу з гексагональною або ромбоподібною ґраткою. Якщо експлуатація деталі відбувається в умовах значного тиску та ударних навантажень, то твердість сталі підвищується в результаті наклепу, що збільшує опір зносу. Тому сталі типу 110Г13Л погано обробляються різанням. Якщо ж під час роботи сталь зазнає тільки абразивного зносу і відсутні значний тиск та удари, що викликають наклеп, то підвищення зносостійкості не спостерігається.
При збільшеному вмісті фосфору (понад 0,025 %) сталь 110Г13Л стає холодноламкою. При вмісті фосфору більше 0,05 % по границях зерен утворюється крихка фосфідна евтектика, на якій зароджується і росте крихка тріщина при низьких температурах. Тому вміст фосфору в сталі, яка використовується в умовах півночі, повинен бути менше 0,02…0,03 %.
Для виробів, що спрацьовуються в результаті впливу потоку рідини або газу, рекомендовані сталі 30Х10Г10 і 10Х14С12М, яким притаманна висока кавітаційна стійкість унаслідок утворення на поверхні мартенситу деформації при гідравлічних ударах.