Цементуемые легированные стали

В цементуемых сталях содержание углерода изменяется в пределах от 0,08 до 0,25%. По содержанию легирующих элементов цементуемые стали относятся к среднелегированным (20Х, 15ХФ, 20ХН, 12XII3A, 20ХГПР, 12Х2Н4МА и др.). Эти стали в состоянии после цементации, закалки и низкого отпуска обладают высокой поверхностной твердостью (HRC 52—62) и достаточно прочной и вязкой сердцевиной (а_в = 700-М500 МПа, а, = 500−1300 МПа, 5 = = 9−13%, KCU- 0,6−1,0 МДж/м², IIRC 30−42).

В табл. 8.2 представлены химический состав и гарантированные механические свойства некоторых легированных цементуемых сталей.

Цементуемые стали идут на изготовление деталей машин и приборов, подверженных износу и испытывающих при этом переменные и ударные нагрузки. Легирующие элементы в цементуемых сталях должны обеспечить необходимую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Такие элементы, как Сг, Мп и др., уменьшают растворимость углерода в аустените, образуют карбиды в цементованном слое, при этом концентрация этих элементов в аустените уменьшается. И как следствие, прокаливаемость цементованного слоя увеличивается в меньшей степени, чем прокаливаемость сердцевины. Молибден существенно повышает прокаливаемость цементованного слоя. Наличие никеля в стали приводит к повышению вязкости сердцевины и диффузионного слоя, снижению порога хладноломкости. Легирование цементуемых сталей ванадием, титаном, ниобием, алюминием приводит к образованию дисперсных карбидов (TiC, VC, NbC), нитридов (VN, TiN, AIN) или карбонитридов (V (N, C), Ti (N, С)), затормаживающих рост зерна аустенита и способствующих его измельчению. В результате измельчения зерна повышается ударная вязкость стали, снижается хрупкость, что положительно сказывается на работоспособности деталей и механизмов в условиях динамического и знакопеременного нагружения.

Таблица 8.2

Химический состав и механические свойства легированных цементуемых сталей.

Обозначения охлаждающей среды: в — вода; м — масло; вз — воздух.

Цементуемые легированные стали по механическим свойствам подразделяются на стали средней прочности с пределом текучести менее 700 МПа и стали повышенной прочности, имеющие предел текучести 700—1100 МПа.

Хромистые (15Х, 20Х) и хромованадиевые (15ХФ, 20ХФ) стали цементуются на глубину до 1,5 мм и предназначены для изготовления деталей простой формы и сравнительно небольших размеров. Так, из стали 15ХФ изготавливают зубчатые колеса, поршневые пальцы, распределительные валки, плунжеры, копиры.

Хромистые и хромованадиевые стали в состоянии после цементации и закалки в масло имеют бейнитную структуру и по сравнению с углеродистыми обнаруживают более высокую прочность, меньшую пластичность и повышенную твердость цементованного слоя (см. табл. 8.2). Хромованадиевые стали менее склонны к перегреву, чем хромистые.

Хромоникелсвыс стали (12ХНЗА, 12X2II4A, 20ХНЗА и др.) применяют для изготовления круглых деталей ответственного назначения, испытывающих значительные динамические нагрузки. Стали малочувствительны к перегреву, отличаются повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и поэтому имеют высокую прокаливаемость цементованного слоя и сердцевины.

При закалке в масло хромоникелевых сталей (12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20X113A и др.) в сердцевинных зонах формируется структура нижнего бейнита либо низкоуглеродистого мартенсита, обеспечивающая сочетание высокой прочности и вязкости (см. табл. 8.2). Дополнительное легирование хромоникелевых старей вольфрамом или молибденом повышает устойчивость переохлажденного аустенита. Так, стали 18Х2Н4ВА, 18X2114MА применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей сечением до 150—200 мм — зубчатых колес, авиационных двигателей, судовых редукторов. Стали 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА относятся к сталям мартенситного класса и закаливаются на воздухе, что обеспечивает значительное снижение коробления и поводок.

Хромомарганцевые стали (18ХТ, 18ХГТ, 25ХТГ, 20ХГР и др.) часто применяют вместо дорогих хромоникелевых. Хромомарганцевые стали содержат небольшое количество титана (см. табл. 8.2). Титан уменьшает склонность хромомарганцевых сталей к перегреву за счет образования труднорастворимых в аустените карбидов TiC. Стали 18ХГТ и 25ХГТ применяют в автомобильной, тракторной промышленности и станкостроении. Дополнительное легирование хромомарганцовистых сталей никелем повышает их прокаливаемость. Для цементации часто применяют стали с бором в количестве 0,001—0,005%. Бор повышает устойчивость переохлажденного аустенита и таким образом увеличивает прокаливаемость стали. Атомы бора находятся преимущественно по границам зерен и тормозят процесс образования зародышей перлита. Бор повышает прокаливаемость доэвтектоидных сталей, но не улучшает прокаливаемость цементованного слоя. В промышленности из боросодержащих цементуемых сталей изготавливают стали, работающие в условиях износа при трении.