Конструкционными улучшаемыми сталями являются

Улучшаемые стали

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали, содержащие (0,3…0,5) % С, подвергаемые закалке от температуры 820…880 0 С и последующему высокотемпературному отпуску при 550…680 0 С. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.

Хромистые стали

Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х, 50Х. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность и вязкость.

Прокаливаемость сталей невелика и для ее увеличения легируется бором (0,002…0,005%). Критический диаметр стали 35ХР при закалке в воде составляет 30…45 мм, а в масле 20…30 мм.

Введение 0,1…0,2 % ванадия (40ХФА) повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость, вследствие лучшего раскисления и измельчения зерна без увеличения прокаливаемости. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках. Значение механических свойств некоторых улучшаемых сталей после термообработки приведены в таблице 10.

Хромомарганцевые стали

Совместное легирование сталей хромом (0,9…1,2 %) и марганцем (0,9…1,2 %) позволяет получить достаточно высокую прочность и прокаливаемость (например, 40ХГ), однако они имеют пониженную вязкость, пониженный порог хладноломкости (от 20 0 С до минус 60 0 С). Введение титана снижает склонность к перегреву, а добавление бора увеличивает прокаливаемость.

Таблица 10 — Механические свойства некоторых легированных улучшаемых сталей

Хромокремнемарганцевые стали

Они обладают высокой прокаливаемостью и механическими свойствами. К ним относятся стали марок 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС. Стали хромансил применяют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций. При введении дополнительно никеля 1,4…1,8 % (30ХГНА) прочность стали повышается: s igma _в =1650 МПа, sigma _0,2 = 1400 МПа.

Хромоникелевые стали

Обладают высокой прокаливаемостью, прочностью, хорошей вязкостью. Применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель, особенно в сочетании с молибденом, сильно снижает порог хладноломкости. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивления хрупкому разрушению. Рекомендуется вводить до 3 % Ni. При большем содержании получается много остаточного аустенита. Для тяжелонагруженных деталей с диаметром сечения до 70 мм используют стали марок 40ХН, 45ХН, 50ХН.

Хромоникелемолибденованадиевые стали

Кроме молибдена, добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Стали марок 38ХН3МФ и 36Х2Н2МФА применяют для деталей больших сечений (1000…1500 мм и более). В сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска — сорбит. Стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью, низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплостойкость. Эти стали можно использовать при температурах 400…450 0 С при изготовлении наиболее ответственных деталей турбин, компрессоров, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях (поковки валов и цельнокованных роторов турбин, валы высоконапряженных турбовоздуходувных машин, детали редукторов и т.д.).

Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Улучшаемые стали.

Стали, подвергаемые термическому улучшению, широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях ( при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.

Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30…0,50 %.

Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии.

Детали, требующие высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты. Для снятия напряжений проводят низкий отпуск.

Улучшаемые легированные стали.

Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.

Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х используются для изготовления небольших средненагруженных деталей. Эти стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым.

Повышение прокаливаемости достигается микролегированием бором (35ХР). Введение в сталь ванадия значительно увеличивает вязкость (40ХФА).

Хромокремнистые (33ХС) и хромокремниймарганцевые (хромансил) (25ХГСА) стали обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Стали хромансилы обладают высокой свариваемостью, из них изготавливают стыковочные сварные узлы, кронштейны, крепежные и другие детали. Широко применяются в автомобилестроении и авиации.

Хромоникелевые стали 45ХН, 30ХН3А отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью, но чувствительны к обратимой отпускной хрупкости. Для уменьшения чувствительности вводят молибден или вольфрам. Ванадий способствует измельчению зерна.

Стали 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА др. обладают лучшими свойствами, относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300…400 o С. из них изготавливаются валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.

Высокопрочные, пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие и автоматные стали

Высокопрочные стали.

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки.

Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях, (30ХГСН2А,40ХН2МА), применяя закалку с низким отпуском (при температуре 200…250 o С) или изотермическую закалку с получением структуры нижнего бейнита.

После изотермической закалки среднеуглеродистые легированные стали имеют несколько меньшую прочность, но большую пластичность и вязкость. Поэтому они более надежны в работе, чем закаленные и низкоотпущенные.

При высоком уровне прочности закаленные и низкоотпущенные среднеуглеродистые стали обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению, поэтому их рекомендуется использовать для работы в условиях плавного нагружения.

Легирование вольфрамом, молибденом, ванадием затрудняет разупрочняющие процессы при температуре 200…300 o С, способствует получению мелкого зерна, понижает порог хладоломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению.

Высокая прочность может быть получена и за счет термомеханической обработки.

Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что способствует увеличению пластичности.

Мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ) превосходят по конструкционной прочности и технологичности среднеуглеродистые легированные стали. Они обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости при прочности около 2000 МПа.

Мартенситно-стареющие стали представляют собой безуглеродистые сплавы железа с никелем (8..25 %), дополнительно легированные кобальтом, молибденом, титаном, алюминием, хромом и другими элементами. Благодаря высокому содержанию никеля, кобальта и малой концентрации углерода в результате закалки в воде или на воздухе фиксируется высокопластичный, но низкопрочный железоникелевый мартенсит, пересыщенный легирующими элементами. Основное упрочнение происходит в процессе старения при температуре 450…550 o С за счет выделения из мартенситной матрицы когерентно с ней связанных мелкодисперсных фаз. Мартенситно-стареющие стали обладают высокой конструкционной прочностью в интервале температур от криогенных до 500 o С и рекомендуются для изготовления корпусов ракетных двигателей, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов подводных лодок, батискафов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, шпинделей, червяков и т.д.

Улучшение стали

Улучшение стали – комплекс операций по проведению термической обработки, в который включены закалка и высокий отпуск. У обработанных деталей повышаются:

• прочность;
• пластичность;
• вязкость ударная;
• прочность усталостная;
• снижается порог хладноломкости.

Сущность процесса улучшения

Процессу улучшения подвергаются конструкционные улучшаемые стали трех категорий:

1. Углеродистые. Среднее содержание, которого находится в пределах от 0,25% до 0,6%.
2. Малолегированные. Средне суммарное содержание легирующих элементов не более 3%.
3. Среднелегированные. Количество вводимых элементов в пределах от 3% до 10%.

При закалке деталь подвергается нагреву до температуры на 30°С ниже чем в точке Ас1. На данном этапе необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость. В детали преобладает внутренняя структура – мартенсит.

Структура улучшаемой стали

Высокий отпуск производится при температуре от 550°С до 650°С. За счет чего структура металла переходит в сорбит и получается однородной и мелкозернистой.

Максимального эффекта можно добиться если во время проведения закалки не образуется феррит и бейнит.

Термическое улучшение металлов позволяет менять такие показатели как:

1. Прочностные характеристики:
   1. ϬВ – предел прочности;
   2. Ϭ0,2 – предел текучести;
   3. KCU – ударная вязкость;
   1. Характеристики пластичности:
      1. δ% — относительное удлинение;
      2. ψ% — поперечное сужение;
      1. Ϭ-1 – усталостная прочность;
      2. Ψ-1 – предел усталости при кручении;

      Технология проведения улучшения

      При закалке, упрочнении, температура нагрева подбирается исходя из состава металла. Если для конструкционных среднеуглеродистых сталей ее можно подобрать согласно диаграммы железо-углерод, то для получения аустенита в металле содержащем легирующие элементы (хром, молибден, ванадий, никель и прочие) необходимо увеличить температуру нагрева.

      

      Интенсивное охлаждение производится в двух средах: воде и масле. Охлаждению в воде подлежат углеродистые металлы, а в масле — легированные, так как водная среда может провоцировать образование внутренних трещин и деформаций.

      Внутреннюю структуру мартенсит можно преобразовать средним или высоким отпуском. Температура проведения отпуска в значительной мере зависит от процентного содержания легирующих элементов.

      Применение улучшения

      После улучшения из углеродистых сталей производятся детали, на которые, которые требуют увеличенной прочности. Это детали типа вал, втулка, шестерня, зубчатое колесо, втулка. Использование углеродистых сталей обусловлено дешевизной изготовления и технологичностью.

      

      Улучшение стали применяется при изготовлении червячного вала

      Материалы с высоким содержанием углерода (60, 65) после улучшения используются для изготовления пружинных и рессорных изделий.

      Введенные легирующие элементы позволяют изготавливать из этих сталей ответственные детали большего диаметра испытывающие более сильные нагрузки. После проведения термообработки у них сохраняется вязкость и пластичность с повышением прочности и твердости, а также понижается порог хладноломкости.

      Прокаливаемость

      Механические свойства элементов конструкции зависят от однородности структуры металла, которая напрямую зависит от сквозной прокаливаемости, минимального диаметра. Данный параметр характеризует образование более половины мартенсита. Так в таблице приведены некоторые показатели, при которых выдерживается критический диаметр.

      Марка стали	Проведение закалки при температуре, °С	Критический диаметр, мм
      		Среда интенсивного охлаждения
      		вода	масло
      45	840…850	до 9	до 25
      45Г2	840…850	до 18	до 34
      40ХН2МА	840…850	до 110	до 142
      38Х2МФА	930	до 72	до 86

      Как показывает практика, на прокаливаемость большое влияние оказывают легирующие элементы. Особенно это заметно при наличии никеля. Его присутствие позволяет закаливать детали большого диаметра. Так из стали 40ХН2МА можно выточить и подвергнуть термообработке ответственную деталь диаметром свыше 100 мм с сохранением приданных свойств по всему объему.

      Хладноломкость

      Отрицательные температуры способствуют переходу в хрупкое состояние, что сказывается на показателях пластичности и ударной вязкости. При воздействии динамических нагрузок низких температур детали разрушаются. При подборе материала, из которого будут изготовлены детали, работающие в экстремальных условиях, в первую очередь пользуются таким параметром, как хладноломкость.

      

      Порог хладноломкости в зависимости от содержания никеля

      График характеризует, что повышенное наличие никеля увеличивает порог хладноломкости. Также на это значение оказывает влияние молибден.

      Мелкозернистая структура, получаемая при высоком отпуске способствует увеличению показателя хладноломкости.

      

      Зависимость порога хладноломкости от размера зерна

      График показывает зависимость от размера зерна:

      1 – размер зерна 0,002-0,01 мм;

      2 – размер зерна 0,05-0,1 мм.

      Наличие серы и фосфора отрицательно влияют на формирование мелкозернистой структуры.

      Неправильный выбор материала для изготовления изделий, работающих в условиях крайнего севера и заполярья не раз приводил к катастрофическим последствиям. Например, вал, изготовленный из ст. 40 и прошедший улучшение в умеренном климате, работает не один год. А на Чукотке при морозе больше 50°С он сломается в первые месяцы эксплуатации.

      Механические свойства после улучшения

      У улучшаемых углеродистых сталей невысокая прокаливаемость. Поэтому стали с 30 по 50 используются для изготовления деталей диаметром не больше 10 мм. После улучшения для них характерны следующие параметры:

      • ϬВ (предел прочности) — 600…700 МПа;
      • KCU (ударная вязкость) – 0,4…0,5 МДж/м2;
      • HRC (твердость) – 40…50.

      Если элементу по условиям эксплуатации требуется большая поверхностная прочность, то его подвергают закалке токами высокой частоты (ТВЧ).

      Для изделий диаметром более 30 мм для придания качеств, полученных улучшением применяются легированные металлы. При высокой скорости закаливания, большего критического диаметра наряду с мелким зерном, у них наблюдаются малые остаточные напряжения после ТО и высокая стойкость к отпуску.

      Так, сплав железа, имеющий в своем составе хром и никель, после улучшения имеет следующие параметры:

      • ϬВ (предел прочности) — 1020 МПа;
      • Ϭ-1 (предел усталости) – 14 Мпа;
      • ψ% (поперечное сужение) – 41%;
      • HВ (твердость) – 241.

      Кроме широко используемых легирующих элементов для измельчения зерна используют титан, ниобий и цирконий. Для повышения прокаливаемости применяют бор.

      Улучшение стали при изготовлении деталей

      Для примера можно рассмотреть маршрут изготовления детали шестерня из стали 40ХН. Для данного типа деталей требуются высокие значения твердости рабочей поверхности, а также хорошая пластичность и вязкость.

      Технологический процесс выглядит так:

      1. Получение заготовки объемной штамповкой.
      2. Отжиг. Твердость НВ = 172…175.
      3. Улучшение. Калить в масле при t = 820-840°С. Отпуск при t = 600-620°С. Твердость НВ = 241…244.
      4. Механическая обработка.
      5. Термическая обработка. Калить не глубже 3 мм. Затем низкий отпуск при t = 220°С. Твердость HRC 56…62.
      6. Шлифование зубьев.

      Выбирая режимы термической обработки при улучшении следует учитывать следующие факторы:

      • степень легирования;
      • диаметр и размер заготовки;
      • переходы, являющиеся источниками напряжений;
      • прилагаемые динамические нагрузки;
      • условия работы;
      • требуемая твердость.

      Улучшаемые стали

      Улучшаемые стали — это конструкционные материалы:

      1. углеродистые;
      2. малолегированные;
      3. среднелегированные.

      Легированные стали можно поделить на несколько категорий:

      • хромистые;
      • хромомарганцевые (хромансиль);
      • никелесодержащие;
      • с добавлением вольфрама и молибдена.

      Особо стоит отметь плохую свариваемость улучшаемых металлов. Она производится при соблюдении некоторых мер, сохраняющих требуемые характеристики.

      Легированные конструкционные стали

      Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

      • 1 Влияние легирующих элементов
      • 2 Маркировка легированных сталей
      • 3 Цементуемые легированные стали (ГОСТ 4543-71)

      Влияние легирующих элементов

      Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель – элементы с решеткой, отличающейся от решетки α-Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.

      Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сг и 1,5% Мп.

      Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава сплава. В значительной степени повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легировании несколькими элементами, например Сг+Мо, Cr+Ni, Cr+Ni+Mo и другими сочетаниями различных элементов.

      Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разрушение стали.
      Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.

      Никель – наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.
      Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Никель заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна одновременно с никелем в сталь вводят карбидообразующие элементы.

      Кремний является некарбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.

      Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплекснолегированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.

      Ванадий и титан – сильные карбидообразущие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, титана, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.

      Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002-0,005%).

      Маркировка легированных сталей

      Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения (ГОСТ4547-71): хром (X), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор ( Р ) , кобальт ( К ) , ниобий ( Б ) , цирконий (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%. В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержание углерода в сотых долях процента. Кроме того, высококачественные легированные стали имеют в конце марки букву А, а особо высококачественные – Ш.

      Например, сталь марки 30ХГСН2А: высококачественная легированная сталь содержит 0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и до 2% никеля; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошлакового переплава с вакуумированием, содержит 0,9-1,0% углерода; 17-19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы.

      Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.

      Цементуемые легированные стали (ГОСТ 4543-71)

      Цементуемые стали – это низкоуглеродистые (до 0,25 С), низко- (до 2,5%) и среднелегированные (2,5-10% суммарное содержание легирующих элементов) стали. Эти стали (табл. 4) предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающих ударные и переменные нагрузки. Работоспособность таких деталей зависит от свойств сердцевицы и поверхностного слоя металла. Цементуемые стали насыщают с поверхности углеродом (цементуют) и подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Такая обработка (см. гл. V) обеспечивает высокую поверхностную твердость (HRC 58-63) и сохраняет требуемую вязкость и заданную прочность сердцевины металла.

      

      Таблица 4. Цементуемые легированные стали

      Улучшаемые легированные стали (ГОСТ 4543-71)

      Это среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и низколегированные стали. Для обеспечения необходимых свойств (прочности, пластичности, вязкости) эти стали (табл. 5) термически улучшают (см. главу 5), подвергая закалке и высокому отпуску (500-600°С).

      

      Таблица 5. Улучшаемые легированные стали

      Высокопрочные легированные стали

      Улучшаемые и цементуемые стали после термической обработки дают прочность до σв=1300 МПа и вязкость до КС=0,8-1,0 МДж/м2. Для создания новых современных машин такой прочности недостаточно. Необходимы стали с пределами прочности σв=1500-2000 МПа. Для этих целей применяют комплексно-легированные и мартенситостареющие стали (табл. 6).

      

      Таблца 6. Высокопрочные легированные стали

      Примечания: 1) Показатели механических свойств в числителе – после закалки от 900°С и низкого отпуска при 250°С, в знаменателе – после изотермической закалки. 2) Показатели механических свойств для стали в состоянии после закалки на воздухе и последующего старения.

      Комплексно-легированные стали – это среднеуглородистые (0,25-0,6% С) легированные стали, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергающиеся термомеханической обработке (см. главу 5).

      Мартенситостареющие стали – это новый класс высокопрочных легированных сталей на основе безуглеродистых (не более 0,03% С) сплавов железа с никелем, кобальтом, молибденом, титаном, хромом и другими элементами. Мартенситостареющие стали закаливают на воздухе от 800-860°С с последующим старением при 450-500°С.

      Читайте также  Механические передачи вращательного движения