Конструкционные стали

К сталям общего назначения относятся стали обыкновенного качества, их обозначают буквами "Ст" и цифрой (см. 6.2). Дополнительно в марке может быть указана степень раскисления стали (например, Ст3кп, Ст4пс, Ст3сп). Эти стали поставляются металлургическими заводами в виде горячекатаного проката (балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, поковки и т.п.).

Стали в основном используются для изготовления строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций (балок, ферм, конструкций подъемных строительных кранов, корпусов, сосудов и аппаратов, каркасов и т.п.). Стали применяют, как правило, в состоянии поставки без упрочняющей термической обработки.

Спокойные и полуспокойные стали нередко используют в машиностроении для некоторых малонагруженных и сварных деталей машин: осей, валов, втулок, шестерен, сварных корпусов и станин технологических машин и т.п. В некоторых случаях детали из сталей, содержащих 0,3...0,4% углерода, подвергают упрочняющей термической обработке.

Вследствие многоцелевого применения сталей обыкновенного качества их и называют сталями общего назначения.

Машиностроительные конструкционные стали

Машиностроительные стали нс являются специальными, они применяются в самых разных областях машиностроения. Технологии термического упрочнения этих сталей, их механические свойства и назначение для изготовления тех или иных изделий определяются в первую очередь ОГЛАВЛЕНИЕм углерода. При одинаковом содержании углерода стали разного состава приобретают близкие механические свойства, т.е. именно от содержания углерода зависят допускаемые напряжения при эксплуатации детали. Состав стали, т.е. какие легирующие компоненты в нее входят и их количество (уровень легирования), определяет прокаливаемость стали и тем самым ее применение для деталей определенного сечения.

Поэтому подбор легирующих компонентов и их количество в стали должны быть такими, чтобы обеспечить прокаливаемость детали по всему сечению. Причем концентрация легирующих компонентов не должна быть выше той, которая обеспечивает сквозную прокаливаемость. Выполнение этого условия позволяет получать необходимую прочность детали при минимальных затратах. Более эффективно повышает прокаливаемость совместное легирование несколькими компонентами, а не легирование одним компонентом в большом количестве. Так, высокая прокаливаемость обеспечивается совместным действием никеля и хрома. Еще больше она повышается при введении в хромоникелевую сталь молибдена.

При выборе сталей следует учитывать их стоимость, зависящую от цены легирующих компонентов. Марганец и кремний относятся к менее дорогим и менее дефицитным легирующим компонентам; не является остродефицитным хром. Поэтому эти компоненты наиболее широко применяются для легирования конструкционных сталей. Никель, вольфрам, молибден, кобальт – дорогие и дефицитные легирующие компоненты.

Конструкционные стали но назначению и основному способу их термического упрочнения можно разделить на четыре основные группы: цементуемые, улучшаемые, рессорно-пружинные и шарикоподшипниковые.

Цементуемые стали. К ним относятся углеродистые и легированные стали, содержащие до 0,3% углерода (низко- углеродистые), для них основным способом упрочнения является цементация (или нитроцементация). Детали, изготовленные из этих сталей, подвергают цементации, закалке и низкому отпуску (см. 5.6.1). Это обеспечивает высокую поверхностную твердость (62...65 HRC) при вязкой сердцевине. Они предназначены для деталей (зубчатых колес, кулачков и др.), работающих в условиях повышенного износа и динамических (ударных) нагрузок. Работоспособность этих деталей зависит как от свойств поверхностного слоя, так и от свойств сердцевины.

Твердость и, следовательно, износостойкость поверхностного слоя определяются ОГЛАВЛЕНИЕм в нем углерода, которое после цементации практически одинаково в углеродистых и легированных сталях. Прочностные свойства сердцевины (твердость, пределы прочности и текучести) зависят от содержания в сталях легирующих компонентов и размеров деталей. По мере увеличения уровня легирования сталей эти свойства сердцевины повышаются, при этом повышается и работоспособность цементованных деталей. Механические свойства сердцевины определяются прокаливаемостью сталей. По уровню предела текучести сердцевины цементуемые стали подразделяют на стали пониженной (σ02 до 300 МПа), средней (σ0,2 до 700 МПа) и повышенной (σ02 более 700 МПа) прочности.

Углеродистые цементуемые стали 10, 15, 20, 25, имеющие неглубокую прокаливаемость, относятся к сталям пониженной прочности. Они применяются для малонагруженных деталей машин небольшого сечения и простой формы, не испытывающих при работе больших контактных напряжений. Поверхностный слой этих сталей после цементации упрочняется закалкой с охлаждением в воде и после низкого отпуска имеет высокую твердость и износостойкость. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости практически не упрочняется. Твердость и предел текучести сердцевины определяются ферритно-перлитной структурой, в которой менее прочного феррита больше, чем перлита. Поэтому сердцевина деталей из этих сталей будет иметь низкие значения твердости и предела текучести. В результате твердый цементованный поверхностный слой при больших контактных напряжениях будет продавливаться и преждевременно разрушаться.

Вместе с тем эти стали технологичны – обладают высокой пластичностью, хорошо свариваются. Поэтому они часто используются в нормализованном состоянии (без цементации и упрочняющей термической обработки) для изготовления деталей машин, от которых нс требуется высокой прочности (крепежные детали, валики, оси и т.п.).

Группу цементуемых сталей средней прочности составляют сравнительно дешевые низколегированные хромистые, марганцовистые и хромованадиевые стали: 15Х, 20Х, 15Г, 20Г, 15ХФ и др. В отожженном состоянии в их ферритноперлитной структуре содержится большее количество перлита. После цементации и закалки в масле деталей, изготовленных из этих сталей, их сердцевина приобретает структуру троостита или бейнита. Это приводит к заметному упрочнению сердцевины; предел текучести возрастает до 500...650 МПа, а твердость – до 35...38 HRC. Из-за сравнительно невысокой прокаливаемости их применяют для небольших деталей (диаметром до 35...40 мм), работающих при средних нагрузках и повышенных контактных напряжениях. Уровень механических свойств сердцевины исключает в этих условиях иродавливание цементованного слоя.

В группу цементуемых сталей повышенной прочности входят комплексно-легированные хромоникелевые, хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 14Х2НЗА, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА. Эти стали благодаря высокой прокаливаемое™ применяют для крупных деталей (сечением 80...100 мм и более), работающих в условиях повышенного трения, динамических нагрузок и высоких контактных напряжений. Вследствие повышенного уровня легирования они закаливаются в больших сечениях, несмотря на невысокое ОГЛАВЛЕНИЕ углерода. В процессе закалки после цементации детали приобретают в сердцевине структуру низкоуглеродистого мартенсита и бейнита. Присутствие в сталях никеля обеспечивает хорошее сочетание высоких пределов прочности, текучести и ударной вязкости.

Наиболее высокий комплекс механических и эксплуатационных свойств характерен для сталей 18Х2Н4МА и 18Х2Н4ВА. Их применяют для крупных тяжелонагруженных деталей особо ответственного назначения (зубчатых колес авиационных двигателей, судовых редукторов и т.п.).

К недостаткам хромоникелевых сталей относятся их высокая стоимость и появление после закалки в цементованном слое повышенного количества остаточного аустенита вследствие значительного снижения точки М . Его количество в поверхностном слое сталей, содержащих 3...4% никеля, может достигать 60%. Поэтому для устранения остаточного аустенита и получения высокой поверхностной твердости детали после цементации и закалки подвергают обработке холодом, лишь затем выполняют низкий отпуск.

Стали 18X2H4MA, 18Х2Н4ВА, 20XII3A и 20Х2Н4А в ряде случаев используют и без цементации. В частности, их применяют для изготовления деталей, работающих при повышенных динамических нагрузках, от которых не требуется высокая износостойкость. Такие детали подвергают закалке и низкому отпуску, после чего они приобретают достаточно высокие прочность и вязкость.

Экономно легированные стали 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ применяют для замены дорогих хромоникелевых сталей. Хром, марганец и молибден обеспечивают высокую прокаливаемость; титан и молибден снижают чувствительность к перегреву, способствуют получению мелкого зерна. Эти стали по прокаливаемости (до 60...80 мм) и ударной вязкости уступают хромоникелевым, однако значительно превосходят их по пределу текучести, который достигает 1000...1300 МПа. Их применяют для ответственных деталей в крупносерийном и массовом производстве (например, для изготовления зубчатых колес для коробок передач автомобилей).

Улучшаемые стали. К ним относятся углеродистые и легированные стали, содержащие 0,3...0,55% углерода, для них основным способом упрочнения является улучшение, включающее закалку на мартенсит и высокий отпуск. В результате такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, высокие предел текучести, пластичность и ударную вязкость, а также более низкую чувствительность к концентраторам напряжений и повышенный предел выносливости. Для обеспечения требуемой конструктивной прочности однородная структура сорбита и высокий комплекс механических свойств должны быть получены по всему сечению детали.

Прочностные свойства этих сталей зависят от содержания углерода. При сквозной прокаливаемости механические свойства углеродистых и легированных сталей при одинаковом в них содержании углерода после улучшения отличаются мало. Легирующие компоненты и их количество определяют прокаливаемости стали и тем самым обусловливают выбор для деталей определенного сечения. Поэтому для конкретного назначения сталь подбирают так, чтобы ее прокаливаемости (критический диаметр) соответствовала диаметру (или наименьшему размеру) сечения изготавливаемой детали.

Углеродистые улучшаемые стали 35, 40, 45, 50, 55 имеют низкую прокаливаемости (до 10...15 мм) и применяются для изготовления деталей небольшого сечения и простой формы. В улучшенном состоянии они обеспечивают хорошее сочетание прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости.

Эти стали используются также без упрочняющей термической обработки, если их свойства в отожженном состоянии или после нормализации обеспечивают необходимую конструктивную прочность. Из сталей 40, 45, 50, 55 производят также детали, отдельные части (поверхности) которых, работающие на износ, подвергают местной закалке ТВЧ (шейки и шлицы валов, зубья шестерен и др.).

Легированные улучшаемые стали применяют для средне- и тяжелонагруженных деталей машин большого сечения (в зависимости от прокаливаемости), работающих при динамических и циклических нагрузках, а также для деталей сложной формы.

Хромистые (35Х, 40Х, 45Х, 50Х) и марганцовистые (35Г, 40Г, 45Г, 40Г2, 45Г2) стали являются наиболее дешевыми и применяются для средненагруженных деталей сечением до 30...35 мм. С увеличением концентрации углерода их прочность возрастает, а пластичность и ударная вязкость уменьшаются. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, для предупреждения которой их после высокого отпуска рекомендуется охлаждать более быстро (в воде или масле).

Хромомарганцевые (35ХГ2), хромокремниевые (33ХС, 40ХС) и хромокремнемарганцевые (30ХГСА, 35ХГСА, 30ХГСН2А) стали имеют более высокую прокаливаемое™ и приобретают после улучшения высокие прочностные свойства в деталях большего сечения. Стали, легированные хромом и марганцем, прокаливаются в сечениях до 40 мм. Стали, совместно легированные хромом, марганцем и кремнием, – хромансили (30ХГСА, 35ХГСА) – прокаливаются в сечениях до 60...70 мм. Эти достаточно дешевые стали обладают хорошим сочетанием механических и технологических свойств – хорошими свариваемостью, обрабатываемостью давлением и резанием. Поэтому их часто применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей сложной формы ответственного назначения (в автомобильной и авиационной промышленности), изготавливаемых методами пластического деформирования или сваркой из листовых, трубных заготовок и др. К их недостаткам следует отнести склонность к отпускной хрупкости.

Наибольшей прокаливаемостью отличаются никельсодержащие стали. Прокаливаемость высокопрочной стали 30ХГСН2А составляет 75...100 мм. Хромоникелевые (40ХН, 45ХН, 50ХН, прокаливаемость до 70 мм) и хромоникельмолибденовые (30XH2MA, 38XH3MA, 40XH2MA, 40Х2Н2МА, прокаливаемость до 100 мм) стали обладают высокой прочностью и ударной вязкостью. Принципиальная особенность сталей, легированных никелем, – низкий порог хладноломкости. Это стали "северного исполнения".

Такие стали применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей сложной формы, работающих при значительных динамических, вибрационных, знакопеременных нагрузках.

Стали, легированные никелем и молибденом (30ХН2МА, 38XH3MA, 40ХН2МА, 40Χ2Η2ΜA), являются лучшими из улучшаемых конструкционных сталей. Молибден не только повышает прокаливаемость, но и устраняет отпускную хрупкость. Они хорошо работают при динамических нагрузках как в обычных условиях, так и при низких температурах. Эти стали могут также применяться при нагреве до 300...400 °С, поскольку при таком уровне легирования разупрочнение при нагреве происходит при более высоких температурах.

Легирование ванадием способствует получению мелкозернистой структуры и дополнительному увеличению прочности (стали 38ΧH3ΜΦΑ, 45ΧH2ΜΦΑ). Они предназначены для крупных деталей наиболее ответственного назначения (валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали компрессоров, редукторов, технологических машин и др.).

Хромомолибденоалюминиевая сталь 38Х2МЮА применяется для деталей, подвергаемых после улучшения азотированию. Это детали, работающие в условиях повышенного износа (гильзы цилиндров двигателей, шестерни, шпиндели шлифовальных станков и т.п.).

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления рессор, пружин (цилиндрических витых, спиральных, плоских, кольцевых, тарельчатых и др.) торсионных валов, упругих колец и других упругих элементов машин и приборов. Основное требование, предъявляемое к этим деталям, состоит в том, чтобы в них не возникала пластическая деформация даже при динамических и повышенных статических нагрузках. Основное требование к сталям - высокие предел упругости (пропорциональности) и предел выносливости (см. 2.1.1 и 2.3). Для этого они должны иметь высокую закаливаемость, обеспечиваемую повышенной концентрацией углерода, и достаточную прокаливаемость (для крупных пружин и рессор).

На практике широко применяют углеродистые и легированные рессорно-пружинные стали, содержащие 0,6...0,8% углерода. Упругие детали машин из этих сталей подвергают закалке на мартенсит и среднему отпуску (420...480 °С) для получения структуры троостита отпуска (см. 5.5.3).

Углеродистые стали 65, 70, 75 обеспечивают необходимые свойства при невысоких напряжениях в изделиях небольшого сечения. Их предел упругости (σ001) составляет 630...700 МПа. К недостаткам этих сталей следует отнести низкую релаксационную стойкость. Релаксация напряжений в сжатых (или растянутых) длительное время пружинах или изогнутых листах рессор проявляется в том, что за счет снижения напряжений часть упругой деформации переходит в пластическую. Это изменяет размеры и форму упругих элементов. В результате релаксации после снятия нагрузки пружины и рессоры полностью не распрямляются и теряют свои упругие, а следовательно, эксплуатационные свойства. Релаксационная стойкость является важнейшей характеристикой сталей рассматриваемого назначения.

Легированные рессорно-пружинные стали имеют повышенную релаксационную стойкость и наиболее часто используются для изготовления упругих деталей машин и приборов, обеспечивая их более длительную и надежную работу. Основными легирующими компонентами этих сталей являются относительно дешевые марганец (0,6... 1,2%), кремний (1,5...2,8%) и хром (0,2...1,2%). Для тяжело-нагруженных деталей применяют комплексно-легированные стали, в которые кроме кремния и марганца дополнительно вводят ванадий (0,1...0,25%), вольфрам (0,8...1,2%) и никель (1,4...1,7%). В таких легированных сталях ОГЛАВЛЕНИЕ углерода может быть снижено до 0,5...0,55%. Легированные стали можно отпускать при более высоких температурах, это позволяет наряду с высоким сопротивлением малым пластическим деформациям получить достаточно хорошие пластичность и вязкость.

Марганцовистые стали (60Г, 65Г) мало отличаются от углеродистых по величине предела упругости (σ0.01 = = 630...660 МПа). Они имеют лучшую релаксационную стойкость и прокаливаемость, поэтому могут использоваться для деталей большего сечения.

Более высокий предел упругости (до σ0.01 = 840...940 МПа) приобретают после термической обработки кремнистые (55С2, 60С2) и кремнемарганцевые (60С2Г) стали в сечениях до 18 мм. Они широко применяются для изготовления пружин и рессор автомобилей, тракторов, железнодорожных вагонов, а также торсионных валов и др. Их существенный недостаток – склонность к обезуглероживанию, образованию поверхностных дефектов при горячей пластической деформации, вызывающих понижение предела выносливости.

Лучшие технологические свойства при тех же значениях предела упругости и более высоком пределе выносливости имеют хромомарганцевые (50ХГА) и хромованадиевые (50ХФА, 50ХГФА) стали, нс склонные к перегреву и обезуглероживанию и менее чувствительные к дефектам поверхности. Они обладают теплостойкостью, что делает их более пригодными не только для изготовления пружин и рессор ходовой части автомобилей, но и для клапанных пружин, работающих при нагреве до 300...350 °С.

Комплексно-легированные стали 55С2ГФ, 60С2ХА, 60С2ХФА и 65С2ВА обладают благодаря большему уровню легирования наиболее высокими пределом упругости (σ00) = 1000...1200 МПа), пределом выносливости, релаксационной стойкостью и прокаливаемостью (до 50...80 мм). Они применяются для изготовления крупных тяжелонагруженных пружин и рессор. Для упругих элементов, работающих в условиях значительных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем 60С2Н2А (σ001 = 1130 МПа, δ = 6...8%, ψ = 20...30%).

Шарикоподшипниковые стали. Предназначены для изготовления деталей подшипников качения (наружных и внутренних колец, шариков, роликов и др.). Рабочие поверхности этих деталей работают в условиях знакопеременных нагрузок, испытывают высокие контактные напряжения и значительное истирание вследствие проскальзывания. Причиной выхода подшипников из строя чаще всего является разрушение тел качения (роликов и шариков), усталостные выкрашивания их рабочих поверхностей и рабочих поверхностей колец.

Условия эксплуатации определяют требования к свойствам шарикоподшипниковых сталей. Они должны обладать высокими твердостью и износостойкостью, контактной выносливостью. Особо следует оговорить необходимость получения высокого предела упругости при сжатии. Напряжения в зоне контакта не должны вызывать не только пластических, но и упругих деформаций, так как это приводит к изменению зазоров в подшипниках и существенно понижает их точность. Для достижения требуемых свойств стали этого назначения должны содержать:

– углерод в количестве, обеспечивающем после термической обработки высокие твердость (62...66 HRC) и предел текучести при сжатии;

– достаточную концентрацию легирующих компонентов для получения необходимой прокаливаемости;

– минимальное количество вредных примесей и неметаллических включений для повышения предела выносливости.

Наиболее широко для изготовления деталей подшипников применяют высококачественную высокоуглеродистую заэвтектоидную хромистую сталь ШХ15, содержащую ~ 1% углерода и ~ 1,5% хрома. Буква "Ш" в начале марки указывает на назначение стали (шарикоподшипниковая). Для деталей больших сечений (крупные подшипники) используют сталь ШХ15СГ, дополнительно легированную для повышения прокаливаемости кремнием (до 0,65%) и марганцем (0,9...1,2%). Детали подшипников особо ответственного назначения изготавливают из особовысококачественных сталей ШХ15-ШД и ШХ15СГ-ШД, которые подвергают последовательно двойному переплаву: электро- шлаковому (Ш) – для удаления серы и вакуумно-дуговому (ВД) – для удаления газов. Такая обработка обеспечивает значительное повышение предела выносливости,

Все детали подшипников (кроме сепаратора), изготовленные из этих сталей, подвергают закалке от температур 820...850 °С с охлаждением в масле и низкому отпуску при 150...170 °С.