10162
.pdf– аустенитной (12Х18Н10Т) - в морской воде, органических и азот-
ной кислотах, слабых щелочах;
– мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфор-
ной, уксусной и молочной кислотах.
Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до
60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионно-стойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаро-
стойкие, жаропрочные и криогенные.
Коррозионно-стойкие стали
Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин,
клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски,
валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.
Жаропрочные стали
Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обла-
дают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (рото-
ры, лопатки, диски и др.).
Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей ис-
пользуются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Co и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном,
бором, йодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельны-
ми и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие харак-
90
теристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):
при 400-550°С – 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;
при 500-600°С – 15Х5М, 40Х10С2М, 20X13;
при 600-650'С – 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР,ХН60Ю,
ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.
Жаростойкие стали
Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серо-
содержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах
(15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в нена-
груженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали харак-
теризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Cr
температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Сг до
+1300°С. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюми-
нием.
Криогенные стали
Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоко-
легированными (Сг, Ni, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19 и др.). Основными потребитель-
скими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, ха-
91
рактерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -
296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.
В электропечах выплавляют в основном легированные конструкцион-
ные качественные и высококачественные стали. Принадлежность к классу качественного и высококачественного металла определяется содержанием вредных примесей, в первую очередь фосфора и серы. Количество этих примесей ограничивается, и в зависимости от назначения стали должно быть не более 0,025–0,04% для каждой из них.
Свойства конструкционной стали характеризуются низкой прокали-
ваемостью, в связи с чем для них высокие механические свойства после термической обработки могут быть получены только в поверхностном слое. Для получения необходимой структуры и увеличения прокаливаемо-
сти улучшаемых сталей в них вводят хром, никель, молибден, вольфрам,
марганец, кремний, ванадий и другие легирующие элементы.
Высокую ударную вязкость конструкционной стали придает никель. В
сочетании с хромом добавки никеля позволяют получать и глубокую про-
каливаемость, которая определяет способность стали к равномерному улучшению свойств по всему сечению. Поэтому хромоникелевые улуч-
шаемые стали широко применяют для изготовления крупных тяжелона-
груженных изделий (оси, валы, муфты).
Недостатком хромоникелевых конструкционных улучшаемых сталей является их склонность к отпускной хрупкости, которая устраняется вве-
дением 0,20–0,40% молибдена. При этом повышаются также и прочност-
ные свойства стали.
Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые конструкционные ста-
ли широко применяют для изготовления крупных цементуемых изделий
(шестерен, валов, шатунов). Карбиды хрома и молибдена придают цемен-
тированному слою высокую износостойкость, а никель улучшает проч-
ность и пластичность этого слоя и уменьшает отрицательное влияние хро-
92
ма и молибдена на повышение содержания в цементуемом слое углерода.
В результате высокая прочность цементированного слоя сочетается с вы-
сокой прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины.
Сейчас наблюдается тенденция к замене дефицитного молибдена вольфрамом. Присадка вольфрама существенно повышает предел прочно-
сти, пластичности и вязкость конструкционных сталей, легированных с хромом и никелем, а также устраняет склонность к отпускной хрупкости.
Вместо хромоникельмолибденовых конструкционных сталей широко ис-
пользуют стали 30Х2Н2ВА, 35X3BA, 40Х4ВА. Особенно широкое приме-
нение для изготовления тяжелонагруженных изделий получила конструк-
ционная сталь 18Х2Н4ВА.
Имеется группа стали конструкционных марок, которые легируют алюминием. Применение для легирования стали алюминия обусловлено его большим сродством к азоту. Образуя в процессе изготовления стойкие нитриды, алюминий позволяет получать металл, свойства которого харак-
теризируются очень высокой твердостью на поверхности (до HRC 70) и
высоким сопротивлением истиранию, причем при содержании алюминия
0,5—1,5% это сочетается с хорошей вязкостью сердцевины.
Высокую прочность сердцевины термообработанных изделий из ле-
гированных алюминием сталей можно получить, если одновременно сталь легировать еще и хромом. Но при этом повышается склонность металла к отпускной хрупкости. Этот недостаток легированных хромом и алюмини-
ем сталей устраняют добавками молибдена или вольфрама и ванадия.
В СНГ получили распространение конструкционные стали трех ма-
рок, содержащие от 0,4 до 1,1% Al: 38ХЮА, 38ХМЮА и 38ХВФЮА.
Склонную к отпускной хрупкости марку 38ХЮА применяют для деталей,
не подвергающихся высоким нагрузкам. Стали 38ХМЮА и 38ХВФЮА применяют для ответственных деталей турбиномоторостроения, работаю-
щих при температурах до 450° С (гильзы, цилиндры, толкатели, шестерни),
а также изделий сложной конфигурации, от которых требуется высокая
93
поверхностная твердость, износостойкость и повышенный предел вынос-
ливости.
Для изготовления рессор и пружин используют конструкционные ста-
ли, легированные одним кремнием (1,5—2,0%). Повышая пределы прочно-
сти и текучести и способствуя образованию волокнистой структуры, крем-
ний улучшает свойства рессор и пружин. Улучшению закаливаемости и уменьшению склонности к обезуглероживанию рессорно-пружинной стали способствуют добавки марганца. Кроме кремнемарганцовистых сталей,
для этих целей применяют также хромокремнистые конструкционные стали.
Высокими пределами прочности и текучести в сочетании с устойчи-
востью против отпуска отличаются стали с кремнием, легированные до-
полнительно хромом и марганцем. Эти марки (20ХГСА, 3ОХГСА и др.),
содержащие 0,90—1,20% Si, используют вместо хромоникелевых и хромо-
никельмолибденовых. Так как кремний увеличивает и износостойкость,
такие стали применяют для изготовления шестерен, зубчатых колес, раз-
личных валов и осей.
Наиболее распространенным дефектом конструкционной стали явля-
ются флокены.
Очень распространены также дефекты, вызванные ликвационными явлениями. Эти дефекты в продольных темплетах слитка проявляются в виде полос повышенной травимости или темных полос на серных отпечат-
ках. Обычно эти полосы наклонены с уширением книзу («усы»). Но иногда они имеют и противоположный наклон с уширением кверху.
На поперечных темплетах из катаных заготовок после травления и на серных отпечатках из таких темплетов ликвационная неоднородность проявляется в виде пятнистой ликвации или ликвационного квадрата.
Иногда в изделиях из конструкционных сталей выявляются дефекты в виде тонких нитей – волосовин, свидетельствующих о несплошности ме-
талла. Располагаются эти линии в направлении течения металла при горя-
94
чей обработке давлением. Волосовины встречаются на поверхности ката-
ных или кованых заготовок или чаще во внутренних слоях металла, выходя на поверхность лишь в процессе изготовления деталей, в частности при ступенчатой обточке.
Поверхностные волосовины являются следствием разных причин,
связанных главным образом с образованием плохой поверхности слитков при разливке. Их удаляют зачисткой поверхности заготовок.
Внутренние волосовины образуются вследствие скопления неметал-
лических включений – продуктов раскисления, вытянутых в направлении течения металла в процессе горячей обработки давлением. Чаще всего это включения силикатов.
В слитках малоуглеродистой легированной конструкционной стали ряда марок (18Х2Н4ВА, 25Х2Н4ВА, 12ХНЗА и др.) часто образуются такие дефекты, как межкристаллические трещины. Эти дефекты конструк-
ционной стали усадочного происхождения расположены обычно по оси слитка, но не доходят до его головной и нижней зон. На поперечных тем-
плетах заготовок трещины после травления являются в виде извилистых линий – «пауков».
Перечисленные дефекты вызывают ухудшение качества металла, и
для их предотвращения в процессе выплавки и разливки стали принимают-
ся специальные меры.
4.5. Высококачественные конструкционные стали и область их
применения
К высококачественной конструкционной группе относятся практиче-
ски все виды легированных сталей, которые отличаются повышенными прочностными характеристиками. Для придания особых свойств их под-
вергают дополнительной обработке специальными методами, которые отражены в обозначении сталей в конце наименования марки. Они исполь-
95
зуются в тяжелом и легком машиностроении, применяются в различных строительных конструкциях, востребованы при изготовлении всевозмож-
ных деталей для сельхозтехники.
Метод выплавки определяет содержание вредных примесей (серы,
фосфора, кислорода и др.), а, следовательно, и свойства этих материалов.
ВД – вакуумно-дуговой переплав;
Ш – электрошлаковый переплав;
ВИ – вакуумно-индукционная переплавка;
СШ – обработка синтетическими шлаками.
По химическому составу стали высококачественные – это главным образом легированные стали. Содержание серы и фосфора в этих сталях не превышает 0,025% каждого. При обозначении высококачественной стали в конце марки приписывается буква А. Например, сталь 34ХН3М – качест-
венная, а сталь 34ХН3МА – высококачественная. Наиболее применяемые высокопрочные – марки машиностроительных (конструкционных) сталей: 30ХГСНА; 30ХГСНМА; ЭИ643; ВЛ-1; 30ХГСА; 35ХГСА.
Высококачественные конструкционные стали:
– Цементуемые и улучшаемые стали для станкостроения, автомо-
бильной промышленности: валов, приводов, винтов;
– Азотированные стали для строения станков и установок (например,
составные части гидравлических установок);
–Износостойкие стали для подъѐмно-транспортного оборудования и техники безопасности: цепи, зажимы, решѐтки;
–Жаропрочные стали для производства арматуры, производства элек-
троэнергии: соединительные элементы.
При этом высококачественные конструкционные стали имеют более десятка различных подгрупп, классификация по которым осуществляется на основе их физико-химических свойств и области применения. Кроме этого, существуют стали, предназначенные исключительно для холодной
96
штамповки или же обладающие свойствами улучшения прочностных ха-
рактеристик при термической обработке.
Тем не менее, изделия, изготовленные из высококачественной конст-
рукционной стали, не рассчитаны на повышенные нагрузки. Для этих целей применяются различные виды особовысококачественной конструк-
ционной стали, которые обладают уникальными характеристиками.
4.6. Особовысококачественные конструкционные стали и область
их применения
В особовысококачественных сталях содержание углерода и легирую-
щих такое же, как и в соответствующих марках высококачественных ста-
лей. Содержание серы и фосфора наименьшее – до 0,015 и 0,025% соответ-
ственно. Особо высококачественные стали обозначаются через тире бук-
вой Ш (электрошлакового переплава) в конце марки. Например, 30ХГС-Ш.
Легированные высококачественные стали выплавляют в электропе-
чах. Особовысококачественные стали (например, шарикоподшипниковые типа ШХ, с содержанием и Р не менее 0,015%) после выплавки в электро-
печах подвергают обработке синтетическими шлаками и другим методам очистки.
К наиболее распространенной группе особовысококачественных кон-
струкционный сталей относятся так называемые мартенсито-стареющие сплавы, обладающие повышенным пределом выносливости. Стали особо
высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареющие) по химиче-
скому составу являются безуглеродистыми (менее 0,03% С) и высоколеги-
рованными (Ni, Co, Мо, Cr, Ti, Be и др.). Эти стали характеризуются сле-
дующими потребительскими свойствами: в=1800...3000 МПа;
>10%, >40%; КСU=0,3...2,5кДж/м2.
Технологические свойства мартенситно-стареющих сталей – повы-
шенные: хорошие свариваемость, обрабатываемость резанием и пластич-
97
ность в закаленном состоянии; незначительная деформация деталей при отпуске, выполняемом после резания и создающем необходимые высокие механические свойства. Мартенситно-стареющим сталям можно придать стойкость против коррозии и теплостойкость. Так, при дополнительном легировании хромом (12%) эти стали становятся стойкими против корро-
зии даже в сильно агрессивных средах (морской воде, кислотах и др.).
Мартенситно-стареющие стали – особовысококачественные и из-за высокой стоимости применяются для деталей наиболее ответственного назначения: Н18К9М5 – Ш – шестерни, валы, корпуса ракет; Н10Х12Д2Т – Ш – детали химической аппаратуры, пружины; Н4Х12К15М4Т – Ш -
штампы горячего деформирования, детали теплоэнергетических установок и др. Основная их область применения заключается в изготовлении высо-
конагруженных деталей, а также тросов и крепежей.
К числу особовысококачественных видов также относятся шарико-
подшипниковые конструкционные стали и специальные сплавы, обладаю-
щие повышенной износостойкостью, жаростойкостью и пониженной чув-
ствительностью к коррозии.
Кроме этого, для работы в агрессивной среде нередко применяются двухслойные стали, в состав которых входит никель и хром.
Следует также отметить, что к особовысококачественным видам от-
носятся криогенные виды конструкционной стали, которые не утрачивают своих прочностных характеристик при низких температурах, поэтому могут использоваться в условиях вечной мерзлоты, а также для изготовле-
ния особо прочных емкостей, применяемых при транспортировке сжижен-
ных газов.
98
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какие легирующие элементы применяются для раскисления стали?
2.С какой целью проводят легирование сталей?
3.Какие элементы являются вредными примесями и отрицательно влияют на механические свойства сталей и сплавов?
4.Где применяются высококачественные и особовысококачественные конструкционные стали?
5.Какие легирующие элементы повышают прочность сталей?
6.Какое содержание углерода в следующих марках строительных ста-
лей: Ст3пс, Ст4сп?
7.Какие легирующие элементы, и в каком количестве содержатся в следующих марках сталей: 30ХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСШ, 38ХНЗМА, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ, 10ХНДП; 12ХГДАФ; 10ХСНД; 16Г2АФ; 18Г2АФ; 12Г2СМФ; 12ГН2МФАЮ. 14ХН4А, 38Х2Н5М, 20ХН3А?
8.Как влияет форма графита на механические свойства чугунов, и как они маркируются?
5.ВИДЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
5.1. Основы теории термической обработки
Термической обработкой называется технологический процесс, со-
стоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изде-
лий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структу-
ры и свойств в заданном направлении.
Современная классификация видов термической обработки, опреде-
ляемая типом фазовых и структурных изменений в металле, разработана А.А. Бочваром и охватывает все многочисленные разновидности термиче-
99