Улучшаемые легированные стали

Улучшаемые стали применяют в состоянии после закалки и высокого отпуска (улучшения). Улучшаемые легируемые стали содержат 0,3—0,5% углерода и 1—6% легирующих элементов (Сг, Мп, Si, Ni, Mo, W, Ti и др.) (табл. 8.3). Стали закаливают при температуре 820—880°С в масле, отпуск проводят при температурах 550— 650 °C с охлаждением в воде, масле или на воздухе. В результате термической обработки улучшаемые стали имеют сорбитную структуру и обладают высоким пределом текучести в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью, низкой чувствительностью к концентраторам напряжений.

Стали предназначены для изготовления ответственных нагруженных деталей машин, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам. Выбор стали для той или иной детали зависит от ее прокаливаемости, поскольку механические характеристики улучшаемых сталей после улучшения близки (см. табл. 8.3).

В зависимости от состава, наличия тех или иных элементов легированные улучшаемые стали бывают хромистые, хромоникелевые, хромокремниймарганцовистые, хромоникельмолибденовые и т. д.

Хромистые улучшаемые стали (ЗОХ, 40Х) содержат 0,8—1,1% Сг, 0,65—0,8% Мп. Из табл. 8.3 следует, что с увеличением содержания углерода увеличивается прочность улучшаемых хромистых сталей (с 900 до 1080 МПа), одновременно снижаются пластичность (с 12 до 9%) и вязкость разрушения KCU (с 0,7 до 0,4 МДж/м²).

Для увеличения прокаливаемости стали дополнительно легируют в количестве 0,002—0,005% бором, но при этом снижается порог хладноломкости. Легирование хромистых сталей 40Х, 50Х и др. ванадием (до 0,15%) увеличивает их вязкость с 0,6 (сталь 40Х) до 0,9 МДж/м² (сталь 40ХФА).

Хромокремниймарганцовистые стали ЗОХГСА, 35ХГСА (хромансили) содержат по 1% хрома, марганца, кремния, имеют высокий комплекс механических и технологических (свариваемость, штампуемость) свойств (см. табл. 8.3).

Хромансили имеют невысокую прокаливаемость: критический диаметр при закалке в воде равняется 25 мм. Более высокая прокаливаемость (до 100 мм) при закалке в воде достигается у хромансилей, легированных никелем (ЗОХГСПА) в количестве 1,4—1,8%.

Стали нашли применение в автомобильной промышленности, авиации и других отраслях техники для изготовления валов, осей,.

Таблица 8.3

Химический состав и механические свойства легированных улучшаемых сталей.

рычагов, толкателей, зубчатых колес, фланцев, ответственных конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках, крепежных деталей для работы при низких температурах.

Хромансили не лишены недостатков: они склонны к концентраторам напряжений, к коррозии под напряжением и водородному охрупчиванию. Улучшаемые хромистые стали и хромансили охрупчиваются при определенных условиях отпуска.

Различают отпускную хрупкость I и II рода (рис. 8.9).

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске около 300 °C и обусловлена неравномерностью распада мартенсита по объему и границам зерна. Границы испытывают полный распад на феррито-цементитную смесь, разупрочняются и выполняют роль концентраторов напряжений, что и вызывает хрупкое разрушение. Отпускная хрупкость I рода носит необратимый характер и проявляется у всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения.

Отпускная хрупкость II рода наблюдается при отпуске выше 500 °C и медленном охлаждении стали, легированной хромом и никелем, при наличии в ней фосфора (более 0.001%). Отпускная хрупкость II рода усиливается при повышенном содержании Мп, в то время как Мо и W ее уменьшают. Появление отпускной хрупкости II рода вызвано выделением из твердого раствора избыточных карбидных фаз, что обедняет границы зерен карбидообразующими элементами. Одновременно имеет место обогащение границ зерен фосфором в результате его восходящей диффузии.

Прочность межзеренной связи ослабевает, и, как следствие, происходит охрупчивание стали. Быстрое охлаждение при отпуске препятствует диффузии фосфора из объема зерен к границам. Повторный высокий отпуск с замедленным охлаждением вновь может вызвать снижение вязкости, поэтому отпускная хрупкость II рода называется обратимой.

В сталях, содержащих 0,2—0,5% молибдена или 0,5—0,8% вольфрама, диффузионные процессы заторможены, выравнивается диф;

Рис. 8.9. Влияние отпуска на ударную вязкость легированной стали:

1 — медленное охлаждение; 2 — быстрое охлаждение фузиониая подвижность атомов, но границам и объему зерна и в результате устраняется неоднородность между названными зонами зерна.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45 ХН, ЗОХНЗФ и др.) содержат 0,5—0,8% хрома и 1—3% никеля. Стали имеют хорошую прокаливаемость (d_Kp до 25—50 мм) и высокие прочностные характеристики: а_в = 1000 МПа, а_т = 850 МПа, 8=10 11%, KCU = 0,7−0,8 МДж/м² (см. табл. 8.3).

Хромоникелевые стали склонны к отпускной хрупкости II рода и обычно охлаждаются после высокого отпуска в воде или масле. Стати хромистые применяют для изготовления валов, шестерен, осей, шатунов и других деталей, к которым предъявляются требования повышенной твердости, износостойкости, прочности и работающих при незначительных ударных нагрузках.

Хромоникелевые стати, легированные молибденом (вольфрамом) (30X112MA, 40X112MА, 30X113MА и др.) и ванадием, идут на изготовление деталей небольших размеров, которые после высокого отпуска охлаждают на воздухе (более крупные — в масле) с целью устранения обратимой хрупкости. Механические свойства сталей представлены в табл. 8.3.

Наличие ванадия в сталях в количестве 0,1—0,2% способствует измельчению зерна. Повышенное содержание никеля в них (до 3—4%) увеличивает их прокаливаемость.

Молибден в хромоникелевых сталях повышает их теплостойкость, что позволяет использовать эти стали при температурах 400—450°С.

Хромоникельмолибденованадиевые стали склонны к образованию флокенов и с большим трудом обрабатываются резанием. Противофлокеновая обработка этих сталей сводится к многократному нагреву поковок при температурах 640—680°С. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных крупных деталей турбин, компрессоров, редукторов, для которых требуется материал особой прочности.