Конструкционными улучшаемыми сталями являются

Конструкционными улучшаемыми сталями являются

Улучшаемые конструкционные стали

Термин «улучшаемые» сформировался от способа термической обработки – «улучшение». Это значит, что свойства этих сталей (прочность, ударную вязкость, усталостную прочность) можно варьировать (улучшать) в широких пределах термической обработкой, заключающейся в закалке и последующем высокомили среднем отпуске.

Это, как правило, среднеуглеродистые (0,25-0,6% С), малолегированные (£ 3% легирующих элементов в сумме) или среднелегированные (3-10 % легирующих элементов) стали (табл. 1).

I углеродистые стали ГОСТ 1050-74 II малолегированные стали ГОСТ 4543-71 III среднелегированные стали ГОСТ 4543-71
30, 35 30Г, 50Г, 60Г, 65Г 38ХН3А
40, 45 30Х, 40Х 38Х2МЮА
50, 55 30ХМ, 40ХМ 40ХН2МА
60, 65 50Г2, 50ХФА 38ХН3МФА
30ХГСА, 40ХМФА 45ХН2МФА

Улучшаемые стали в конструкциях должны обеспечивать необходимые показатели прочности (sв – предел прочности; s0.2 – предел текучести), пластичности (d% — относительное удлинение; Y% — поперечное сужение), усталостной прочности — s -1 ; ударной вязкости – КСU; твердости НВ, НRс по всему сечению детали.

Основными принципами при выборе марки улучшаемой конструкционной стали являются следующие показатели:

1. Наличие концентраторов напряжений, динамических нагрузок и пониженных температур определяет необходимость легирования элементами, снижающими температуру перехода в хрупкое состояние, например, никелем.

2. Выбор марки стали (степени легированности) определяется размером термически обрабатываемых заготовок (прокаливаемостью).

3. Уровень требуемой прочности достигается термической обработкой.

Основным параметром, по которому выбирается марка улучшаемой стали является прокаливаемость (критический диаметр), так как механические свойства в случае прокаливаемости у сталей разных марок этой группы отличаются незначительно.

Стали этой группы подвергают обычно (улучшению) закалке в масле и высокому отпуску (600 °C).

На рис. 2 представлена схема микроструктуры стали 40Х, после отжига и после улучшения.

Рис. 2. Схема микроструктуры стали 40Х

а) после отжига, б) после закалки и высокого отпуска

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.

2.3. Влияние элементов на полиморфизм железа

Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существование его аллотропических модификаций (А3= 911 o С, А4=1392 o С).

В зависимости от расположения элементов в периодической системе и строения кристаллической решетки легирующего элемента возможны варианты взаимодействия легирующего элемента с железом. Им соответствуют и типы диаграмм состояния сплавов системы железо – легирующий элемент (рис. 3).

Большинство элементов или повышают А4 и снижают А3, расширяя существовавшие g–модификации (рис. 3. а), или снижают А4 и повышают А3, сужая область существования g–модификации (рис. 3. б).

Рис. 3 Схематические диаграммы состояния Fe – легирующий элемент. а – для элементов, расширяющих область существования –модификации; б – для элементов, сужающих область существования –модификации

Большинство элементов образуют с железом твердые растворы замещения. Они растворяются в железе и влияют на положение точек А3 и А4, определяющих температурную область существования a и g железа.

Если легирующие элементы имеют решетку ОЦК, то они ¯А4, ­ А3, ГЦК ­А4, ¯А3.

По характеру влияние на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

1 группа — элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др. имеющих ОЦК решетку), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита.Такие сплавы называют Ферритными.

Они понижают А4 и повышают А3, следовательно при определенной концентрации (точка У) А1 и А3 сливаются и область g фазы замыкается. При содержании легирующего элемента больше У сплавы состоят из твердого раствора легирующего элемента в a — железе.

2 группа — элементы (Ni, Mn и др. имеющих ГЦК решетку), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах. Такие сплавы называют Аустенитными. Сплавы, только частично претерпевающие превращение g—>a, называются, соответственно, полуаустенитнымиили полуферритными.группа (расширяющих область) Ni и Mn, которые понижают t (температуру) точки А3 и повышают А4. Расширяется на диаграмме gфаза и сужается a — фаза (рис. 3.а.).

Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагреве и охлаждении.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: studopedia.ru

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;
  2. Усталостные характеристики:
    1. Ϭ-1 – усталостная прочность;
    2. Ψ-1 – предел усталости при кручении;
  3. Твердость (НВ, HRC).

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.

Читать еще:  Кованые кронштейны для цветов

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.
I II III
Углеродистые малолегированные среднелегированные
ГОСТ 1050-82 ГОСТ 4543-71 ГОСТ 4543-71
30-60 Морганцовистые 30Г-65Г, хромистые 30Х-40Х 38Х2МЮА и прочие, но с содержанием углерода не более 0,4%
Хроммолибденовые 30ХМ-40ХМ, 50Г2
Многокомпонентные 30-40ХГСА, 30-40ХМФА 45ХН2МФА

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: stankiexpert.ru

Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые легированные стали

Читайте также:

  1. II. ВНУТРИПАРТИЙНАЯ БОРЬБА 1920-х гг. и ИСТОКИ СТАЛИНИЗ-МА.
  2. II. ВНУТРИПАРТИЙНАЯ БОРЬБА 1920-х гг. и ИСТОКИ СТАЛИНИЗМА
  3. VI.4. СОВЕТСКая Культура сталинской эпохи
  4. Автоматные стали
  5. Автоматные стали.
  6. Анатомические особенности строения хрусталика
  7. Антисталинские оппозиции
  8. Борьба за власть внутри высшего эшелона политического руководства страны после смерти Сталина. Приход к власти Н.С.Хрущева.
  9. Быстрорежущие стали
  10. Важнейшей предпосылкой развития общества стали образование и воспитание, которые стали неотъемлемой потребностью общества.
  11. Ведомость расхода стали, кг
  12. Властивості стали

Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска (улучшения). Стали содержат 0,3 – 0,5% С и их подвергают закалке при 820 – 880°С (в зависимости от состава) в масле (крупные детали охлаждают в воде) и высокому отпуску при 550 – 680°С. Они должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, а в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, – высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

Углеродистые улучшаемые стали марок 35, 40, 45 используют только для изделий небольших сечений или работающих при невысоких нагрузках. Для деталей, имеющих более крупные сечения, применяют легированные стали, обладающие большой прокаливаемостью. Для весьма крупных деталей применяют высоколегированные стали, которые могут обеспечить высокие механические свойства по всему сечению.

Хромистые стали. Для средненагруженных деталей применяют хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х и 50Х (0,8 – 1,1% Сr). С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость.

Прокаливаемость хромистой стали 30Х, 40Х и 50Х невелика. Критический диаметр для 95% мартенсита составляет 15 – 20 мм. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым: для мелких деталей в масле и для крупных в воде. Порог хладноломкости у хромистых сталей от 0 до – 100°С (первая цифра указывает температуру, выше которой излом полностью вязкий, а вторая – температуру, ниже которой излом полностью хрупкий).

Сталь 30Х рекомендуется для изготовления деталей, относительно небольших размеров (оси, валики, рычаги, болты, гайки). Стали 38Х и 40Х обладают повышенной прочностью и применяются для коленчатых валов, осей, шестерен, болтов ответственного назначения, а стали 45Х и 50Х – для изделий, работающих на износ без значительных ударных нагрузок (крупные шестерни, некоторые валы).

Введение бора (0,002—0,005%) увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости.

Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая. Кри­тический диаметр (95% мартенсита) при закалке в воде 30 – 45 и в масле 20 – 30 мм. Сталь с бором 35ХР (40ХР) имеет следующие механические свойства (не менее): s0,2=80 кгс/мм 2 ; sв = 95 – 100 кгс/мм 2 ; d=12%; y=50% и ан=9 кгс×м/см 2 .

Введение 0,1—0,2% V (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 (шатуны, шестерни).

Хромомарганцевая сталь.Совместное легирование хромом (0,9 – 1,2%) и марганцем (0,9 – 1,2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Эти стали 40ХГ, 40ХГР можно применять для изделий сечением 20 – 40 мм. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от +20 до – 60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита при нагреве. Введение в сталь титана (30ХГТ) обеспечивает хромомарганцевой стали меньшую склонность к перегреву.

Хромокремнемарганцевая сталь.Высоким комплексом свойств обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС, содержащие соответственно 0,2; 0,25 и 0,3% С (среднее содержание) и 0,9 – 1,1% Сr, 0,8 – 1,1% Мn и 0,9 – 1,2% Si, обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью.

Стали хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

После закалки в масле с 880°С и отпуска при 520 – 540°С сталь 30ХГС имеет следующие механические свойства (не менее): sв=110кгс/мм 2 ; s0,2 =85 кгс/мм 2 ; d=10%; y= 45% и ан =5 кгс×м/см 2 . Сталь 30ХГС подвергают также изотермической закалке на нижний бейнит (рис. 3, а) в расплавленную соль при 280 – 310°С, сообщающей еще более высокие механические свойства (sв=165 кгс/мм 2 ; s0,2=130 кгс/мм 2 ; d = 9%; y=40% и ан=4 кгс×м/см 2 ) и снижающей чувствительность к надрезам.

Однако стали хромансил, благодаря малой устойчивости переохлажденного аустенита (см. рис. 3 ,а) при закалке в масле имеют сравнительно небольшую прокаливаемость (критический диаметр 25 – 40 мм), чувствительны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

Более высокая прокаливаемость, критический диаметр для закалки в воде >100мм и масле >75 мм и лучшая вязкость достигаются при введении 1,4 – 1,8% Ni в сталь хромансил (30ХГСНА). Эта сталь после изотермической закалки или закалки в масле (на воздухе) с низким отпуском при 200°С позволяет получить sв = 165 кгс/мм 2 ; s0,2 = 140кгс/мм 2 ; d= 9% и ан=6 кгс×м/см 2 .

При использовании высокопрочных сталей 30ХГС, 30ХГСНА и др. необходимо учитывать, что они чувствительны к концентраторам напряжений, особенно после обычной закалки и отпуска, охрупчиванию в результате насыщения водородом (например, при гальванических покрытиях или травлении) и коррозии под напряжением.

Хромоникелевые стали.Благодаря большой устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 3, б, в), хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью [критический диаметр (95% мартенсита) при закалке до 100 – 300 мм], хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель обеспечивает наибольший запас вязкости, а в сочетании с хромом – большую прокаливаемость.

Кроме того, никель, особенно в сочетании с молибденом, сильно снижает порог хладноломкости.

Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению.

Чем больше в стали никеля, тем в большем сечении обеспечивается сквозная закаливаемость; при 3 – 4% Ni сквозная прокаливаемость практически достигается в сечении до 200 – 250мм. В улучшаемых сталях рекомендуется вводить £ 3,0% Ni. При большем содержании никеля получается много остаточного аустенита.

Для тяжелонагруженных деталей с диаметром сечения 40 – 70 мм используют хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН и 50ХН (0,45 – 0,75% Сr и 1,0 – 1,4% Ni), обладающие высокими механическими свойствами (sв =100 – 110 кгс/мм 2 ; s0,2 =80 – 90 кгс/мм 2 ; d=11 – 9%;y= 45 – 40%; ан=7 – 5 кгс×м/см 2 ) и хорошей прокаливаемостью. Эти стали закаливают при 820°С (охлаждением в масле) и отпускают при 500 – 530°С с охлаждением в воде или в масле.

Читать еще:  Бесперебойник на насос отопления

Рис. 3. Диаграммы изотермического превращения переохлажденного

аустенита для конструкционных улучшаемых сталей:

а – 30ХГС; б – 40ХН; в – 40ХНМ; г – 38ХН3МФ

Сложнолегированные хромоникелевые стали.Хромоникелевые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкости, для устранения которой многие детали из этой стали охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали – в воде. Однако даже охлаждение в воде для многих крупногабаритных деталей из глубокопрокаливающихся хромоникелевых сталей не приводит к достаточно быстрому охлаждению внутренних частей, в которых развивается отпускная хрупкость. Для предотвращения этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом. Детали из этих сталей высокого отпуска можно охлаждать на воздухе, а более крупные – в масле.

Широко применяется сталь 40ХНМ (рис. 3, в). Эта сталь после улучшения (закалка с 850°С в масле и отпуск при 620°С) имеет даже в крупных сечениях (s0,2 ³85 кгс/мм 2 ; sв > 100 кгс/мм 2 ; d³12%; y³55% и ан ³10 кгс×м/см 2 . Нередко в сталь, кроме молибдена (вольфрама), добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Примером сталей, легированных Cr, Ni, W, Мо и V, могут служить:

30ХН2ВФ (0,27 – 0,3% С; 0,6 – 0,9% Сr; 2,0 – 2,4% Ni; 0,5 – 0,8% W; 0,15 – 0,3°/о V);

38ХН3МФ (0,33 – 0,42% С; 1,2 – 1,5% Сr; 3 – 3,4% Ni; 0,35 – 0,40% Mo; 0,1 – 0,2% V) (см. рис. 3, г).

Большая устойчивость переохлажденного аустенита обеспечивает высокую прокаливаемость этих сталей 30ХН2ВФ и 38ХН3МФ (критический диаметр >100мм), что позволяет упрочнять термической обработкой крупные детали. Даже в очень больших сечениях 1500 – 1000мм и более в сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска сорбит. Указанные стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Механические свойства после закалки с 850 – 860°С в масле и высокого отпуска при 550°С сталей 30ХН2ВФ (38ХН3МФ) составляют: sв=90 (120) кгс/мм 2 ; s0,2 = 80 (110) кгс/мм 2 ; d=10 (12) % и ан =9 (8) кгс×м/см 2 (в скобках – относится к 38ХН3МФА). Порог хладноломкости у стали 38ХН3МФА соответствует температуре от – 60 до – 140°С. Этому способствует высокое содержание никеля. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплостойкость. Эту сталь можно использовать при 400 – 450°С.

Недостатком высоколегированных хромоникельмолибденовых сталей является трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. При обнаружении их хотя бы в одной поковке бракуют все поковки данной плавки. Стали применяют для наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях (поковки валов и цельнокованых роторов турбин, валы высоконапряженных трубовоздуходувных машин, детали редукторов и т. д.).

Дата добавления: 2014-12-23 ; Просмотров: 611 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник: studopedia.su

Конструкционные улучшаемые стали

2.5 Конструкционные улучшаемые стали

Улучшаемыми называют такие стали, которые используются после закалки с высоким отпуском (улучшения). Эти стали (40Х, 40ХФА, 30ХГСА, 38ХН3МФА и др.) содержат 0,3-0,5 % углерода и 1-6 % легирующих элементов. Стали закаливают с 820-880 0 С в масле (крупные детали – в воде); высокий отпуск производят при 500-650 0 С с последующим охлаждением в воде, масле или на воздухе (в зависимости от состава стали). Структура стали после улучшения – сорбит. Данные стали применяют для изготовления валов, шатунов, штоков и других деталей, подверженных воздействию циклических или ударных нагрузок. В связи с этим улучшаемые стали должны обладать высоким пределом текучести, пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезу.

Стали относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300-400 0 С. Из них изготавливают валы и роторы турбин, тяжело нагруженные детали редукторов и компрессоров.

2.6 Рессорно-пружинные стали

Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.

Стали для пружин и рессор содержат 0,5-0,75 % С; их также дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), хромом (до 1,2 %), ванадием (до 0,25 %), вольфрамом (до 1,2 %) и никелем (до 1,7 %). При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости.

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако они могут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающим характеристики упругости и выносливости материала. Устранение указанных дефектов, а также повышение прокаливаемости и торможение роста зерна при нагреве достигается дополнительным введением в кремнистые стали хрома, ванадия, вольфрама и никеля.

Лучшими технологическими свойствами, чем кремнистые стали, обладает сталь 50ХФА, широко используемая для изготовления автомобильных рессор. Клапанные пружины делают из стали 50ХФА, не склонной к обезуглероживанию и перегреву, но имеющей малую прокаливаемость.

Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850-880 0 С, отпуск 380-550 0 С) обеспечивают получение высоких пределов прочности и текучести. Применяется также изотермическая закалка.

Максимальный предел выносливости получают при термической обработке на твердость HRC 42-48.

Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенитно-мартенситных (09Х15Н8Ю) и других сталей и сплавов.

2.7 Шарикоподшипниковые стали

Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15СГ (последующая цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента – 1,5 %). ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием и марганцем для повышения прокаливаемости. Отжиг стали на твердость порядка 190 НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии. Закалка деталей подшипника (шариков, роликов и колец) осуществляется в масле с температур 840-860 0 С. Перед отпуском детали охлаждают до 20-25 0 С для обеспечения стабильности их работы (за счет уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при 150-170 0 С в течение 1-2 ч.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95 % С и 18 % Cr.

2.8 Износостойкие стали

Износостойкость деталей обычно в первую очередь обеспечивается повышенной твердостью поверхности. Однако высокомарганцевая аустенитная сталь 110Г13Л (1,25 % С, 13 % Mn, 1 % Cr, 1 % Ni) при низкой начальной твердости (180-220 НВ) успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших динамических (ударных) нагрузок (такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, щек дробилок и др.). Это объясняется повышенной способностью стали упрочняться в процессе холодной пластической деформации, равной 70 %, твердость стали возрастает с 210 НВ до 530 НВ. Высокая износостойкость стали достигается не только деформационным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной или ромбоэдрической решеткой. При содержании фосфора более 0,025 % сталь становится хладноломкой. Структура литой стали представляет собой аустенит с выделившимся по границам зерен избыточными карбидами марганца, снижающими прочность и вязкость материала. Для получения одно-фазной аустенитной структуры отливки закаливают в воде с температуры 1050-1100 0 С. В таком состоянии сталь имеет высокую пластичность, низкую твердость и невысокую прочность.

Изделия, работающие в условиях кавитационного износа, изготавливают из сталей 30Х10Г10, 0Х14Г12М.

Источник: www.kazedu.kz

Структура и механические свойства улучшаемых легированных сталей

Свойства улучшаемой стали зависят от прокаливаемости, т.е. от структуры по сечению изделия после закалки.

При полной (сквозной) прокаливаемости структура по всему сечению — мартенсит. При неполной (несквозной) прокаливаемости наряду с мартенситом образуются немартенситные продукты распада аустенита (верхний и нижний бейнит, феррито – перлитная смесь).

Наиболее высокие механические свойства достигаются после высокого отпуска исходной структуры мартенсита. Если сталь имеет другие структуры, то некоторые свойства могут ухудшаться, например, температура порога хладноломкости и сопротивление вязкому разрушению (работа развития трещины).

На рисунке 1 для хромомолибденовой стали с содержанием от 0,18 до 0,30 %С приведены значения температуры перехода после высокого отпуска разных исходных структур. Подбором температуры отпуска временное сопртивление стали при всех исходных структурах было достигнуто одинаковым (sв

Читать еще:  Фиксатор стойка для арматуры

700 МПа). При этом наиболее низкий порог хладноломкости имела сталь, закаленная на мартенсит (а); сталь со структурой бейнита (верхнего) после отпуска имеет порог хладноломкости на 50 о С выше, а со структурой перлита – еще на 100 о С выше. При всех исходных структурах повышение содержания углерода приводит также к повышению Тпр.

Сравнивая свойства отпущенного мартенсита и отпущенного бейнита, следует разделять влияние верхнего и нижнего бейнита.

В таблице № 1 приведены данные о влиянии исходной структуры (смеси структур) на механические свойства высокоотпущенной стали 18Х2Н4МФА.

Структура стали после закалки sВ, МПа sТ, МПа d, % Y, % Т50, о С KCT, МДж/м 2
100 % М 850 740 17 7 -85 1,9
75%М+25%Бн 840 720 16 73 -105 1,8
50%М+50Бн 860 720 16 71 -115 1,8
100%Бв+н 890 760 15 65 +40 0,3
90%Бв+н+10%ФП 780 520 14 51 +50 0,7
25%Бв+н+75%ФП 720 470 13 45 +55 0,85

Испытания на растяжение с определением sв, sТ, d и Y не выявляют влияния бейнитных составляющих структуры в смеси с мартенситом. При этом указанные свойства практически не меняются. Появление феррито – перлитной смеси понижает прочность и пластичность стали. Значительно более сильную структурную чувствительность имеют характеристики сопротивления разрушению (Т50 и KCT). Нижний бейнит (до 50%) в смеси с мартенситом повышает сопротивление хрупкому разрушению – порог хладноломкости снижается на 30 о С. Это обусловлено однородным распределением карбидов и мелкоигольчатой структурой нижнего бейнита, в результате чего создаются препятствия при распространении трещины скола. Нижний бейнит в таких количествах не ухудшает сопротивление стали вязкому разрушению.

Существенное снижение характеристик сопротивления разрушению вызывает верхний бейнит и продукты распада аустенита в перлитной области. При такой структуре существенно повышается порог хладноломкости и резко падает работа распространения трещины. Это связано с тем, что высокотемпературные продукты распада аустенита – верхний бейнит и перлит – имеют после отпуска в структуре грубые неоднородно распределенные карбидные включения, в результате чего скол может непрерывно распространяться на значительные расстояния, составляющие несколько зерен.

Влияние остаточного аустенита на свойства стали после отпуска может быть двояким. Если остаточный аустенит распадается при отпуске на феррит и карбид, то это вызывает охрупчивание стали. Стабилизированный остаточный аустенит, не разлагающийся при отпуске, расположенный между пластинами мартенсита в виде тонких прослоек сильно повышает вязкость разрушения (KIC) высокопрочных сталей.

Таким образом, если после закалки в изделиях получается структура мартенсита в смеси с нижним бейнитом (до 50 %), то свойства стали не ухудшаются. Появление же наряду с мартенситом или нижним бейнитом высокотемпературных продуктов распада – верхнего бейнита и феррито – перлитной смеси – снижает значения сопротивления стали хрупкому и вязкому разрушению.

Марки сталей и их свойства

В зависимости от требований по прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств в машиностроении используют большое количество различно легированных сталей. Марки легированных конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543 – 2016, ряд сталей изготавливается также по техническим условиям. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются: Cr, Mn, Ni, Mo, B, V и др. Содержание углерода в них обычно находится в пределах 0,06 – 0,54 %.

В таблице № 2 приведен химический состав и гарантируемы механические свойства наиболее широко распространенных улучшаемых машиностроительных сталей. Приведенные механические свойства нормированы как контрольные послеуказанной термической обработки для заготовок с размером сечения 25 мм (круг или квадрат). Для каждой стали свойства будут зависеть от температуры отпуска.

Режим контрольной термообработки

C Mn Cr Ni Др. элементы tзак o C tотп o C sв, МПа d % y % KCU МДж/м 2 40Х 0,36-0,44 0,50-0,80 0,80-1,10 £0,3 — 860 500 980 10 45 0,6 40ХФА 0,34-0,44 0,50-0,80 0,80-1,10 £0,3 0,10-0,18V 880 650 880 10 50 0,9 40Г2 0,26-0,35 1,4-1,8 £0,3 £0,3 — 880 600 600 15 45 — 30Г2 0,36-0,44 1,4-1,8 £0,3 £0,3 — 860 650 670 12 40 — 40ХГТР 0,38-0,45 0,80-1,00 0,80-1,10 £0,3 0,03-0,09Ti 840 550 980 11 45 0,8 38ХС 0,34-0,42 0,30-0,60 1,30-1,60 £0,3 1,0-1,4Si 900 630 930 12 50 0,7 30ХГСА 0,28-0,34 0,80-1,10 0,80-1,10 £0,3 0,9-1,2Si 880 540 1080 10 45 0,5 30ХМА 0,26-0,33 0,40-0,70 0,80-1,10 £0,3 0,15-0,25Mo 880 540 930 12 50 0,9 30Х3МФ 0,27-0,34 0,30-0,60 2,30-2,70 £0,3 0,2–0,3Mo 0,06-0,12V 870 620 980 12 56 1,0 40ХН 0,36-0,44 0,50-0,80 0,45-0,75 1,00-1,40 — 820 530 980 10 45 0,7 30ХН3А 0,27-0,33 0,30-0,60 0,60-0,90 2,75-3,15 — 820 530 1000 10 50 0,8 30ХН2МА 0,27-0,34 0,30-0,60 0,60-0,90 1,25-1,65 0,2-0,3Mo 860 530 980 10 45 0,8 40ХН2МА 0,37-0,44 0,50-0,80 0,60-0,90 1,25-1,65 0,15-0,20Mo 850 620 1100 12 50 0,8 18Х2Н4МА 0,14-0,20 0,25-0,55 1,35-1,65 4,00-4,40 0,3-0,4Mo 860 550 1050

12 50 1,2

Легированным конструкционным улучшаемым сталям свойственна повышенная анизотропия свойств, т.е. различие свойств в зависимости от направления деформации при ковке или прокатке. Уменьшение анизотропии достигается металлургическими способами: уменьшением в стали сульфидов и других неметаллических включений, изменением условий горячей пластической деформации и др. Также эти стали чувствительны к флокенам, причем наиболее чувствительны к образованию флокенов доэвтектоидные легированные перлитные и перлито — мартенситные стали.

Хромистые стали (30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 35Х2АФ, 40Х2АФЕ) являются наименее легированными и обеспечивают прокаливаемость в больших сечениях, чем соответствующие углеродистые стали. Хром не оказывает сильного влияния на разупрочнение при отпуске, однако он увеличивает склонность стали к отпускной хрупкости. Поэтому изделия из этих сталей после высокого отпуска следует охлаждать в масле или воде, недопустимо охлаждение после отпуска с печью. С целью получения мелкого зерна аустенита в стали данной группы вводят ванадий, который находясь в карбидах, препятствует росту зерна, а при отпуске задерживает разупрочнение.

Значительные преимущества имеют хромистые стали, упрочненные нитридами: 35Х2АФ и 40Х2АФЕ. Эти стали имеют мелкое зерно, глубокую прокаливаемость, высокие механические свойства как после закалки и низкого отпуска, так и после улучшения. Такие свойства обусловлены легированием сталей азотом и нитридообразующими элементами – ванадием и алюминием. Для улучшения обрабатываемости резанием стали легируют селеном.

Марганцовистые стали (30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2) имеют большую прокаливаемость, чем хромистые. Однако марганец усиливает склонность зерна к росту, поэтому эти стали чувствительны к перегреву и могут иметь пониженную ударную вязкость, особенно при отрицательных температурах. Применяются при обработке ТВЧ и для изделий, несущих небольшие ударные нагрузки.

Хромомарганцевые стали (25ХГТ,30ХГТ, 40ХГТ, 35ХГФ и др.) обладают повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и соответственно прокаливаемостью. С целью получения мелкозернистой структуры в ряд сталей вводят небольшие добавки титана (0,03 – 0,09 %). Легирование ванадием также позволяет получить мелкозернистую структуру и повысить температуру отпуска на заданную твердость. Применяются для машиностроительных деталей ответственного назначения: валы, шатуны, шестеренки.

Хромокремнистые и хромокремнемарганцовистые стали (33ХС, 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА и др.) обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. В качестве термической обработки применяются закалка и низкий отпуск или улучшение. Недостатком таких сталей является относительно небольшая прокаливаемость, сильная склонность к отпускной хрупкости I и II рода, склонность к обезуглероживанию.

Хромомолибденовые стали (30ХМ, 35ХМ, 38ХМ, 30Х3МФ, 40ХМФА и др.), обладая хорошей прокаливаемостью, имеют высокий комплекс механических свойств и мало склонны к отпускной хрупкости благодаря молибдену. Их особенностью является способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Получение мелкого зерна в структуре сталей этой группы достигается за счет введения ванадия.

Хромомолибденовые стали применяются для изготовления наиболее ответственных изделий сечением до 80 – 100 мм: коленчатые валы, тяжелонагруженные оси, баллоны высокого давления и т.д.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали: 20ХН3А, 20Х2НЧА, 40ХН, 30ХН3А, 20ХН2М, 30ХН2М, 38Х2Н2МА, 40Х2МА, 38ХН3МА, 18Х2Н4МА и др. являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий (сечением 100 – 1000 мм).Уникальные свойства хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей достигаются вследствие их чрезвычайно высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости.

Высокая прокаливаемость сталей обусловлена сильным совместным влиянием хрома и никеля или хрома, никеля и молибдена на повышение устойчивости аустенита. Такие стали закаливают в больших сечениях, обеспечивая после закалки в масле получение мартенсита и нижнего бейнита в центре крупных изделий.

Высокая вязкость сталей обусловлена влиянием никеля на параметры, характеризующие склонность к хрупкому и вязкому разрушениям, также никель понижает порог хладноломкости улучшаемых легированных сталей.

Стали с 3 – 4 % Ni имеют наибольший температурный запас вязкости: 20ХН3А, 30ХН3А, 18Х2Н4МА, 38ХН3МА.

Недостатком хромоникелевых сталей является склонность к обратимой отпускной хрупкости. Молибден и вольфрам значительно ослабляют склонность к развитию отпускной хрупкости, поэтому хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали практически лишены этого недостатка.

Стали с пониженным содержанием никеля менее склонны к обратимой отпускной хрупкости. При рациональном легировании хромоникелевых сталей сохраняется достаточно высокая прокаливаемость, позволяющая использовать их для изделий больших сечений.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали иногда содержат ванадий (38ХН3МФА, 45ХН2МФА, 30Х2НМФА и др.), что обеспечивает их мелкозернистость и повышает устойчивость против отпуска.

Дата добавления: 2018-06-27 ; просмотров: 267 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Источник: studopedia.net

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector