§ 4.2. Легированные конструкционные стали
Углеродистые стали не всегда соответствуют требованиям техники по своим механическим свойствам. Так, для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения углеродистые стали неприменимы из-за недостаточной прочности. Компенсировать этот недостаток путем увеличения сечения детали нерационально – возрастает масса и расход материала.
Еще меньше углеродистые стали удовлетворяют специальные (особые) требования из-за низкой сопротивляемости коррозии, неустойчивости при высоких температурах, ибо их прочность быстро понижается при температурах свыше 300 …350 0С (≈ 0,3Тпл). более того, при нагреве выше 400 …500 0С они очень сильно окисляются и практически не могут работать.
Поэтому в современном машиностроении более широкое применение получили легированные стали.
Легированными называют стали, содержащие, кроме углерода и постоянных примесей, один или несколько других химических элементов (называемых легирующими) для улучшения механических и технологических их свойств или получения каких-либо новых служебных свойств1, не присущих углеродистым сталям. К легированным относят стали, содержание железа в которых не менее 50 %.
Целью легирования является существенное улучшение или получение новых (особых) свойств, не присущих углеродистым сталям, посредством придания стали желаемой структуры как за счет прямого (непосредственного) действия легирующих элементов, так и в результате сочетания легирования с соответствующей термической обработкой2.
По суммарному содержанию легирующих элементов стали разделяют на низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (2,5 … 10 %) и высоколегированные (> 10 %). Стали, в которых лег 6,5 %, называют машиностроительными сталями.
Стали, в которые добавляют легирующие элементы, называются легированными. Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром (до 1,8 %), никель (1 – 4,5 %), марганец (0,8 – 1,8 %), кремний (до 2,5 %), молибден (0,15 – 0,45 %), вольфрам (0,15 – 1,2 %), ванадий (0,1 – 0,3 %), титан (0,06 – 0,12 %) и бор (до 0,005 %).
Легированные стали маркируются буквами и цифрами, характеризующими химический состав стали. Буквы обозначают: X – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, М – молибден, В – вольфрам, Ф – ванадий, Т – титан, Р – бор, Ю – алюминий, Д – медь, К – кобальт, Б – ниобий, Ц – цирконий, А – азот, Е – селен, П – фосфор, Ц – цирконий.
Условные обозначения легирующих элементов в сталях: а – n, б – Nb, в – w, г – Mn, д – Cu, е – Se, к – Co, м – Mo, н – Ni, р – b, п – р, с – Si, т – Ti, ф – V, ю – Al, х – Cr, ц – Zr.
Первые две цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, если одна цифра – десятые доли процента. Цифры, следующие за буквами, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании легирующего элемента менее 1% цифра не ставится. Например, сталь 18ХГТ содержит 0,17 – 0,23 % углерода, 1,0 – 1,3 % хрома, 0,8 – 1,1 % марганца, 0,03 – 0,09 % титана. Сталь 20Х содержит 0,17 – 0,23 % углерода, 0,7 – 1,0 % хрома, 0,5 – 0,8 % марганца.
По отношению к углероду легирующие элементы делятся на две группы: карбидообразующие (т. е. образующие соединения железа с углеродом) и некарбидообразующие (графитизирующие).
Карбидообразующие элементы имеют высокую степень химического сродства к углероду и образуют более прочные и устойчивые при нагревании карбиды, чем карбид железа (цементит).
По степени способности к карбидообразованию эти элементы располагаются в такой последовательности: Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn.
Некарбидообразующие элементы (Si, Al, Си) понижают устойчивость цементита и других карбидов.
Легирующие элементы замедляют диффузионные процессы и поэтому оказывают заметное влияние на фазовые превращения в стали при закалке и отпуске. Легирующие элементы повышают устойчивость закаленной стали против отпуска. Поэтому для получения нужной твердости легированные стали нагревают при отпуске до более высоких температур, чем углеродистые. Кроме того, многие легирующие элементы измельчают зерно и упрочняют феррит, что также способствует улучшению механических свойств стали.
Большинство легирующих элементов значительно увеличивает прокаливаемость стали. Если в малых сечениях механические свойства легированных сталей мало отличаются от механических свойств углеродистой стали, то в крупных сечениях это различие значительно: свойства легированных сталей лучше. Особенно заметно при этом повышается предел текучести - σ, относительное сужение ψ и удельная вязкость ан.
Все легирующие элементы (кроме кобальта) увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита и в связи с этим уменьшают критическую скорость охлаждения (присутствие карбидообразующих элементов Cr, Mo, V и W), кроме того, изменяют вид С – образных кривых, на которых образуется два минимума устойчивости аустенита (рис. 4.1.).
τ → τ →
а) б)
Рис. 4.1. Схема диаграмм изотермического распада аустенита: а) углеродистая сталь и сталь, легированная некарбидообразующими элементами, б) – углеродистая сталь и сталь, легированная карбидообразующими элементами.
Это обстоятельство позволяет закаливать изделия из легированных сталей в менее резких охладителях, что способствует уменьшению их деформации и опасности возникновения трещин. По этой причине легированные стали применяют и для изделий небольшого сечения, но сложной формы. Нагрев легированных сталей при закалке должен осуществляться замедленно, так как теплопроводность этих сталей значительно меньше, чем углеродистых сталей.
Медленный нагрев способствует выравниванию температуры по всему сечению (особенно при термической обработке массивных деталей) и уменьшает внутренние напряжения. Выдержка легированных сталей при температуре нагрева должна быть более длительной, чем углеродистых для завершения процессов диффузии, обеспечивающих однородность аустенита.
В зависимости от вида термообработки конструкционные легированные стали подразделяются на две группы: цементуемые (низкоуглеродистые) и улучшаемые (среднеуглеродистые).
Содержание углерода в цементуемых сталях от 0,1 до 0,30 %. В состав цементуемых сталей входят кремний от 0,17 до 0,37 %, марганец от 0,3 до 1,1 %, хром от 0,45 до 1,65%, никель от 0,25 до 1,4 % и другие элементы в небольших количествах. Цементуемые стали: 15Х, 30ХГТ, 25ХГМ, 12Х2Н4А и т. п.
Термическому улучшению – закалке и высокому отпуску (500 – 600 °С) на структуру сорбит подвергают стали, содержащие 0,3 – 0,5 % С и не более 5 %, легирующих элементов.
Улучшаемые легированные стали применяются для изготовления ответственных деталей машин (валов, штоков и других деталей), работающих при циклических и ударных нагрузках, а также при пониженных температурах. Улучшаемые стали: хромистые – 10Х, 45Х, 50Х; хромокремнемарганцовые – 30ХГСА, 35ХГСА; хромоникелевые – 40ХН, 45ХН, 50ХН; хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) – 40ХНМА, 18Х2Н4МА и другие относятся к лучшим улучшаемым конструкционным сталям.
Выплавляют стали качественными (S < 0,04 %, P ≤ 0,035 %), высококачественными (S и P<0,025 %) и особовысококачественными (S и P < 0,015 %).
Наиболее распространенными легирующими элементами в машиностроении являются Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti и др. Но чаще всего используют сравнительно недорогие и недефицитные элементы Mn, Si и Cr.
В России принята буквенно-цифровая система обозначения марок легированных сталей, например: 30ХГС, 30ХГСА, 30ХГС-Ш. Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы указывают виды легирующих элементов в стали: Х – хром, Г – марганец, С – кремний. Буква означает, что содержание легирующего элемента в стали около 1 % или меньше. Если содержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы цифрой указывается его среднее содержание в процентах (сталь 14Г2Ф: Г2 означает, что сталь содержит в среднем 2 % марганца).
Качество стали указывается буквой в конце марки: А - высококачественная, Ш – особовысококачественная электрошлакового переплава. К группе качественных сталей относятся стали без букв А или Ш в конце марки (сталь 30ХГС).
Легирование существенно повышает себестоимость сталей. Поэтому при выборе марки стали целесообразно прежде всего использовать экономно легированные стали или обеспечивать экономию за счет снижения расхода металла на изделие (уменьшение его сечения) вследствие применения сталей повышенной или высокой прочности, если это позволит перекрыть дополнительные затраты на производство стали или обработку изделия. Практика показывает, что применение низколегированных сталей повышенной и высокой прочности (вместо углеродистых) в строительстве позволяет экономить до 50…80 % металла. Более того, повышается надежность конструкций, снижается их склонность к хрупким разрушениям. Снижение расхода сталей до 30 % можно получить применением термически упрочненного проката или сталей контролируемой прокатки.
Машиностроительные стали. Стали конструкционные легированные. Сталь 15Х; Сталь 45Х; Сталь 50Г; Сталь 20ХГТ; Сталь 38ХМА; Сталь 38Х2Н2МА; Сталь 5ХН2МА; Сталь 30ХН2МФА.
Среднее содержание углерода в стали от 0,1% (Сталь 10Г2) до 0,45 …0,50 % (Сталь 50ХН).
Сталь 15Х: 0,15 % С; 1 % Cr.
Cталь 20ХГТ: 0,20 % С; 1 % Cr; 1 % Mn; 1 %Ti.
Сталь 45ХН2МА: 0,45 % С; 1 % Cr; 1 % Ni; 2 % Mo; А – высококачественная. Основной легирующий комплекс: Cr, Mn, Ni, Mo, V.