Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 30 )

Для сталей мартенситного класу область перлітного розпаду зрушена вправо (мал.). Охолодження на повітрі не приводить до перетворення в перлітній області. Аустеніт переохолоджується до температури мартенситного перетворення й відбувається утворення мартенситу.

Для сталей аустенітного класу збільшення змісту вуглецю й легуючих елементів зрушує вправо область перлітного розпаду, а також знижує мартенситну крапку, переводячи її в область негативних температур (мал.). Сталь прохолоджується на повітрі до кімнатної температури, зберігаючи аустенітний стан.

2. По ступені легування (по змісту легуючих елементів):

·  низьколеговані - 2,5...5 %;

·  средньолеговані - до 10 %;

·  високолеговані - більше 10%.

3. По числу легуючих елементів:

·  трикомпонентні (залізо, вуглець, що легує елемент);

·  чотирьохкомпонентні (залізо, вуглець, два легуючі елементи) і так далі.

4. По сполуці:

нікелеві, хромисті, хромонікелеві, хромонікельмолібденові й так далі (ознака - наявність тих або інших легуючих елементів).

5. По призначенню:

·  конструкційні;

·  інструментальні (ріжучі, міряльні, штампові);

·  сталі й сплави з особливими властивостями (різко виражені властивості - нержавіючі, жароміцні й термостійкі, зносостійкі, з особливими магнітними й електричними властивостями).

Леговані сталі, що поліпшуються.

Леговані сталі, що поліпшуються, застосовують для більших і більше навантажених відповідальних деталей. Стали мають кращий комплекс механічних властивостей: вище міцність при збереженні достатньої в'язкості й пластичності, нижче поріг холодноламкості.

Хромисті сталі 30Х, 40Х, 50Х використовуються для виготовлення невеликих середньонавантажені деталей. Ці сталі схильні до відпускної крихкості, тому після високої відпустки охолодження повинне бути швидким.

Підвищення прокаливаности досягається мікролегуванням бором (35ХР). Введення в сталь ванадію значно збільшує в'язкість (40ХФА).

Хромокремністі (33ХС) і хромокремніймарганцеві (хромансил) (25ХГСА) стали мають високу міцність і помірну в'язкість. Стали хромансили мають високу зварюваність, з них виготовляють стикувальні зварені вузли, кронштейни, кріпильні й інші деталі. Широко застосовуються в автомобілебудуванні й авіації.

Хромонікелеві сталі 45ХН, 30ХН3А відрізняються гарної прокалюваністю, міцністю й в'язкістю, але чутливі до оборотної відпускної крихкості. Для зменшення чутливості вводять молібден або вольфрам. Ванадій сприяє здрібнюванню зерна.

Стали 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА ін. мають кращі властивості, ставляться до мартенситного класу, слабко розупрочнюються при нагріванні до 300…400oС. з них виготовляються вали й ротори турбін, важко навантажені деталі редукторів і компресорів.

Високоміцні, пружинні, шарикопідшипникові, зносостійкі й автоматні сталі

Високоміцні сталі

Високоміцними називають сталі, що мають межу міцності більше 1500 Мпа, що досягається підбором хімічного складу й оптимальної термічної обробки.

Такий рівень міцності можна одержати в средньовуглецевих легованих сталях, (30ХГСН2А,40ХН2МА), застосовуючи загартування з низькою відпусткою (при температурі 200…250oС) або ізотермічне загартування з одержанням структури нижнього бейнита.

Після ізотермічного загартування середньо леговані сталі мають трохи меншу міцність, але більшу пластичність і в'язкість. Тому вони більше надійні в роботі, чим загартовані й низько відпущені.

При високому рівні міцності загартовані й низько відпущені середньо вуглецеві сталі мають підвищену чутливість до концентраторів напруги, схильністю до тендітного руйнування, тому їх рекомендується використовувати для роботи в умовах плавного навантаження.

Легування вольфрамом, молібденом, ванадієм утрудняє розупрочнюючі процеси при температурі 200…300oС, сприяє одержанню дрібного зерна, знижує поріг холодноламкості, підвищує опір тендітному руйнуванню.

Висока міцність може бути отримана й за рахунок термомеханічної обробки.

Стали 30ХГСА, 38ХН3МА після низькотемпературної термомеханічної обробки мають межа міцності 2800 Мпа, відносне подовження й ударна в'язкість збільшуються у два рази в порівнянні зі звичайною термічною обробкою. Це пов'язане з тим, що часткове виділення вуглецю з аустеніту при деформації полегшує рухливість дислокацій усередині кристалів мартенситу, що сприяє збільшенню пластичності.

Мартенситно-Старіючі сталі (03Н18ДО9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ) перевершують по конструкційній міцності й технологічності середньо вуглецеві леговані сталі. Вони мають малу чутливість до надрізів, високим опором тендітному руйнуванню й низькому порогу холодноламкості при міцності близько 2000 Мпа.

Мартенситно-Старіючі сталі являють собою безвуглецеві сплави заліза з нікелем (8…25 %), додатково леговані кобальтом, молібденом, титаном, алюмінієм, хромом і іншими елементами. Завдяки високому змісту нікелю, кобальту й малої концентрації вуглецю в результаті загартування у воді або на повітрі фіксується високо пластичний, але низько міцний залізо нікелевий мартенсит, пересичений легуючими елементами. Основне зміцнення відбувається в процесі старіння при температурі 450…550oС за рахунок виділення з мартенситної матриці когерентно з нею зв'язаних дрібнодисперсних фаз. Мартенситно-Старіючі сталі мають високу конструкційну міцність в інтервалі температур від криогенних до 500 oС і рекомендуються для виготовлення корпусів ракетних двигунів, стовбурів артилерійської й стрілецької зброї, корпусів підводних човнів, батискафів, високонавантажених дисків турбомашин, зубчастих коліс, шпинделів, черв'яків і т. д.

Пружинні сталі.

Пружини, ресори й інші пружні елементи є найважливішими деталями різних машин і механізмів. У роботі вони випробовують багаторазові змінні навантаження. Під дією навантаження пружини й ресори пружно деформуються, а після припинення дії навантаження відновлюють свою первісну форму й розміри. Особливістю роботи є те, що при значних статичних і ударних навантаженнях вони повинні випробовувати тільки пружну деформацію, залишкова деформація не допускається. Основні вимоги до пружинних сталей - забезпечення високих значень меж пружності, плинності, витривалості, а також необхідної пластичності й опору тендітному руйнуванню, стійкості до релаксації напруг.

Пружини працюють в області пружних деформацій, коли між діючою напругою й деформацією спостерігається пропорційність. При тривалій роботі пропорційність порушується через перехід частини енергії пружної деформації в енергію пластичної деформації. Напруги при цьому знижуються.

Мимовільне зниження напруг при постійній сумарній деформації називається релаксацією напруг.

Релаксація приводить до зниження пружності й надійності роботи пружин.

Пружини виготовляються з вуглецевих (65, 70) і легованих (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР) конструкційних сталей.

Для зміцнення пружинних вуглецевих сталей застосовують холодну пластичну деформацію за допомогою дробеструйної і гідроабразивної обробок, у процесі яких у поверхневому шарі деталей наводяться залишкові напруги стиску.

Підвищені значення межі пружності одержують після загартування із середньою відпусткою при температурі 400…480oС.

Для сталей, використовуваних для пружин, необхідно забезпечити наскрізну прокалюваність, щоб одержати структуру троститу по всім перетині.

Пружні й міцностні властивості пружинних сталей досягаються при ізотермічному загартуванні.

Пружинні сталі легують елементами, які підвищують межа пружності - кремнієм, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадієм, бором.

З метою підвищення утомної міцності не допускається зневуглецьовування при нагріванні під загартування й потрібне високу якість поверхні.

Пружини й інші елементи спеціального призначення виготовляють із високохромистих мартенситних (30Х13), мартенситно-старіючих (03Х12Н10Д2Т), аустенітних нержавіючих (12Х18Н10Т), аустенито-мартенситних (09Х15Н8Ю), швидкорізальних (Р18) і інших сталей і сплавів.

Шарикопідшипникові сталі.

Піддаються впливу високих навантажень змінного характеру. Основними вимогами є висока міцність і зносостійкість, висока границя витривалості, відсутність концентраторів напруг, неметалічних включень, порожнин, ліквацій.

Шарикопідшипникові сталі характеризуються високим змістом вуглецю (близько 1 %) і наявністю хрому (ШХ9, ШХ15).

Високий зміст вуглецю й хрому після загартування забезпечує структуру мартенсит плюс карбіди, високої твердості, зносостійкості, необхідної прокалюваності.

Подальше збільшення прокалюваності досягається додатковим легуванням марганцем, кремнієм (ШХ15СГ).

Підвищено вимоги відносно чистоти й рівномірності розподілу карбідів, у противному випадку може відбутися викрашування. Стали піддаються строгому металургійному контролю на наявність пористості, неметалічних включень, карбідної сітки, карбідної ліквації.

Термічна обробка включає відпал, загартування й відпустку. Відпал проводять після малодоходного для зниження твердості й підготовки структури до загартування. Температура загартування становить 790…880oІЗ залежно від масивності деталей. Охолодження – у маслі (кільця, ролики), у водяному розчині соди або солі (кульки). Відпустка стали проводять при температурі 150…170oС протягом 1...2 годин. Забезпечується твердість 62...66 НRC.

Зі сталі ШХ9 виготовляють кульки й ролики невеликих розмірів, зі сталі ШХ15 - більші.

Деталі підшипників кочення, що випробовують більші динамічні навантаження (підшипники прокатних станів), виготовляють зі сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ із наступною глибокою цементацією на глибину 5...10 мм. Для деталей підшипників, що працюють в азотній кислоті й інших агресивних середовищах, використовується сталь 95Х18.

Сталі для виробів, що працюють при низьких температурах

Для виробів, що працюють при низьких температурах, необхідно застосовувати сталі зі зниженим порогом холодноламкості. Особливо сильно знижені температурні пороги холодноламкості в нікельзмістових сталях. Ефективними матеріалами є низьколеговані мало вуглецеві сталі, які мають гарну зварюваність.

У будівельних металоконструкціях найбільший ефект досягається при використанні термомеханічні зміцненого прокату.

Для забезпечення високого комплексу механічних властивостей деталей машин використовуються мало вуглецеві сталі, леговані елементами сприятливому дисперсійному зміцненню й утворенню дрібнозернистої структури після термічної обробки, 10ХСНД, 15Г2СФ, 12ГН2МФАЮ.