Вопросы для самопроверки к теме 2.3

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО НАЗНАЧЕНИЮ И МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

В разделе 2.1.3 отмечалось, что основой классификации углеродистых сталей по назначению (конструкционные и инструментальные) является за-висимость их механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3). Эта

1В ряде случаев для устранения остаточного аустенита используют специальный высоко-температурный отпуск (например, в быстрорежущих сталях).

тенденция сохраняется в общих чертах и для подавляющего большинства, т.е. наиболее дешевых, мало – и среднелегированных сталей (это стали перлитного класса, см. разд. 2.3.1).

Высокоуглеродистые ( і0,7 %С) легированные стали – инструменталь-ные, стали с меньшим содержанием углерода - конструкционные.

Наиболее многочисленные группы конструкционных сталей – это цемен-туемые (0,10…0,25 %С) и улучшаемые (0,30…0,50 %С).

Цементуемые стали применяются в основном для деталей типа шесте-рен, которые после цементации (диффузионного насыщения поверхности изде-лия углеродом), закалки и низкого отпуска приобретают высокую твердость и износостойкость наружного слоя (структуру высокоуглеродистого мартенсита) и сохраняют хорошую вязкость сердцевины, препятствующую хрупкому раз-рушению зубьев шестерни.

Улучшаемые стали используются для ответственных нагруженных изде-лий, работающих при динамических нагрузках, которые для получения опти-мального сочетания прочности и ударной вязкости подвергают улучшению – закалке и высокому отпуску (см. разд. 2.2.2).

В марках конструкционных сталей число в начале марки указывает со-держание углерода в сотых долях процента (как в качественных углеродистых конструкционных сталях). Далее следуют легирующие элементы, которые обо-значаются русскими буквами, обычно – первыми в названии элемента. Напри-мер, Cr буквой Х, Ni – Н, Ti – Т, V – Ф, Co – К, Mo – М, W – В, но есть и исключения: В – Р, Al – Ю, Si – С, Mn – Г; буква А в конце марки означает сталь высокого качества (в таких сталях ограничено количество вредных примесей S и Р Ј 0,025 % каждого из этих элементов).

Цифры после каждой буквы указывают содержание данного элемента в процентах, если цифра отсутствует, то среднее количество этого элемента – 1 %. Например, в стали 18Х2Н4МА – в среднем 0,18 % С; 2 % Cr, 4 % Ni, 1% Мо, Ј 0,025 % S и Ј 0,025 % Р.

В таблице 2.3.1 для примера приведены химический состав, механические

свойства и критический диаметр Dкр (соответствует максимальному рабочему сечению детали) некоторых цементуемых и улучшаемых конструкционных сталей (ГОСТ4543–71). Механические свойства цементуемых сталей даны по-сле закалки и низкого отпуска, улучшаемых – после закалки и высокого отпус-ка (т.е. в улучшенном состоянии).

Помимо цементуемых и улучшаемых к конструкционным принадлежат также:

1) строительные (низколегированные ) стали, содержащие до 0,2 %С и небольшое количество недорогих легирующих элементов (обычно до 2...3 %Мn и Si), 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 17ГС и др. Они используются в машиностроении, строительстве, магистральных газо – и нефтепроводах и т. п.; обладают хоро-шей свариваемостью, малой склонностью к хрупким разрушениям, хладостой-костью. Изделия из этих сталей обычно не подвергаются термической обработ-ке.

2) рессорно-пружинные стали содержат 0,5…0,7 %С и небольшое коли-чество легирующих элементов (Mn, Si, V); например, 50С2, 60СГ, 60С2ХФА, 70С3А и др. После закалки и среднего отпуска (на структуру троостит отпуска) приобретают высокий предел упругости и предел текучести s0,2 до 1200…1700 МПа; применяются в транспортном и станкостроении для рессор, пружин, различных упругих элементов.

3) подшипниковые стали содержат 0,95…1,05 %С, 0,4…1,7 %Cr, 1,7 %Mn, 0,85 %Si; например, ШХ6, ШХ15, ШХ15ГС и др. Буква Ш обозначает шарикоподшипниковую сталь, цифры – содержание Cr в десятых долях про-цента.

После закалки и низкого отпуска эти стали имеют структуру мартенсита с включениями мелких вторичных карбидов, обладают высокой твердостью (62…64 HRCэ) и износостойкостью; применяются для деталей подшипников качения.

Основная цель легирования этих сталей – повышение прокаливаемости (см. разд. 2.3.2). Чем больше легирующих элементов, тем больше критический

Таблица 2.3.1 Химический состав, механические свойства и критический диаметр

некоторых конструкционных легированных сталей

Марка стали	Содержание элементов, %	Механические свойства	Dкр, мм
С	Mn	Cr	Ni	Другие эле-менты	s0,2, МПа	sв, МПа	d, %	Y, %	KСU, МДж/м2
Ц Е М Е Н Т У Е М Ы Е
18ХГТ	0,17-0,23	0,8-1,1	1,0-1,3	-	0,03-0,09 Ti					0,8
20ХГР	0,18-0,24	0,7-1,0	0,75-1,05	-	-					0,8	40-60
25ХГМ	0,23-0,29	0,9-1,2	0,9-1,2	-	0,2-0,3 Mo					0,8	60-80
12Х2Н4А	0,09-0,15	0,3-0,6	1,25-1,65	3,25-3,65	-					0,9	100-120
18Х2Н4МА	0,14-0,20	0,25-0,55	1,35-1,65	4,0-4,4	0,3-0,4 Mo					1,0	і 120
У Л У Ч Ш А Е М Ы Е
40Х	0,36-0,44	0,5-0,8	0,8-1,1	-	-					0,6	25-35
30ХГС	0,28-0,35	0,8-1,1	0,8-1,1	-	0,9-1,2 Si					0,4	50-75
40ХН2МА	0,37-0,44	0,5-0,8	0,6-0,9	1,25-1,65	0,15-0,25 Mo					0,8	75-100
38ХН3МФА	0,33-0,4	0,25-0,5	1,2-1,5	3,0-3,5	0,35-0,45 Mo 0,1-0,18 V					0,8	і 100

диаметр закаливаемых деталей, тем более крупный подшипник может быть из-готовлен из данной стали.

Помимо рассмотренных выше наиболее распространенных групп сталей к конструкционным относятся также высокопрочные, износостойкие, коррози-онностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали, а также стали (и железо-содержащие сплавы) с особыми физическими свойствами. С этими материа-лами (многие из них встречаются в контрольных работах) можно ознакомиться в рекомендуемой учебной литературе [1…4, 8].

Теперь – несколько слов о классификации и маркировке инструменталь-ных легированных сталей. Выше уже отмечалось, что к инструментальным углеродистым и легированным сталям относятся в основном стали с большим содержанием углерода ( і 0,7 %С), поскольку после закалки и низкого отпуска они должны обладать высокой твердостью (60…65 HRCэ) и износостойкостью. Это стали для режущего и измерительного инструмента (ГОСТ 5950–2000) большинство из них содержит небольшое количество легирующих элементов (в сталях повышенной прокаливаемости до » 5 %). Цифры в начале марки этих сталей показывают содержание углерода в десятых долях процента, напри-мер, в марках 9ХС, 11ХФ, 13Х – 0,9; 1,1 и 1,3 %С соответственно. Если сред-нее содержание углерода » 1 %, то цифра в начале марки обычно отсутствует Х, ХВГ, ХВ4.

Наилучшими свойствами в группе сталей для режущего инструмента об-ладают быстрорежущие стали (ГОСТ 19265–73). В результате сильного леги-рования карбидосодержащими элементами – (W, Mo, Cr, V) они приобретают высокую теплостойкость – способность сохранять высокую твердость (до 58 HRCэ) и износостойкость при длительном нагреве до » 620 оС.

В марках этих сталей (Р18, Р6М3, Р6М5, Р9К5,…) после буквы Р (от англ. rapid – быстрый, скорый) число показывает содержание основного легирующе-го элемента W в процентах.

В результате сильного легирования в закаленных быстрорежущих сталях остается много (до 30 %) остаточного аустенита, поэтому для его устранения

используют обработку холодом или трехкратный отпуск при t » 560 оС (см. раздел 2.3.2). Твердость быстрорежущих сталей после такой термообработки 63…65 HRCэ. Инструмент из этих сталей используют для обработки на высо-ких скоростях резания, а также труднообрабатываемых материалов (например, высоколегированных коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов с аустенитной структурой).

Помимо сталей для режущего и измерительного инструмента по назна-чению различают штамповые стали для холодного и горячего деформирова-ния металлов.

Для холодного деформирования в первую очередь требуется высокая твердость инструмента, поэтому используются в основном те же стали, что и для режущего инструмента (ГОСТ 5950-2000) с содержанием углерода » 1 % (Х, ХВСГ, Х6ВФ, Х12М), имеющие твердость 60…63 HRCэ после закалки и низкого отпуска. В тех случаях, когда от инструмента требуется повышенная вязкость (ударные нагрузки) используют стали с меньшим (0,5…0,7 %) содер-жания углерода (6ХВ2С, 7ХГ2ВМ).

В гораздо более тяжелых условиях работают стали штампов горячей об-работки давлением. Их структуры, механические и эксплуатационные свойст-ва не должны изменяться (ухудшаться) при нагревании до 400…600 оС. Поми-мо тепло – и окалиностойкости эти стали должны обладать разгаростойкостью – устойчивостью к образованию поверхностных ("разгарных") трещин, стиму-лируемых многократными циклами нагрев « охлаждение. Комплекс этих

свойств достигается применением сталей с пониженным содержанием углерода (0,3…0,6 %С) – 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС, 5ХНМ, обрабатываемым на структуру троостита или сорбита отпуска (температура отпуска » 500…630 оС) и твер-дость 42…50 HRCэ.

В заключение отметим, что данный раздел 2.3 содержит многочисленные примеры влияния химического состава (легирования) на структуру и свойства сплавов.

Внимание!

Освоив этот раздел1(раздел 2.3) и не забыв, конечно, основные положе-

ния разделов 2.1 и 2.2, Вы делаете решительную заявку на вступление в «Клуб

знатоков металловедения», способных выбирать стали (главные материалы

промышленности!) для изделий различного назначения. В этом Вы убедитесь,

ответив по традиции на вопросы для самопроверки.

1. Какие стали называются легированными?

2. Как влияют легирующие элементы на полиморфизм железа? Сравните классификацию углеродистых и легированных сталей по равновесной структуре.

3. На какие классы делятся легированные стали по структуре нормализа-ции? На чем основана эта классификация?

4. Что такое прокаливаемость? Какой характеристикой оценивают ее ве-личину? Каков практический путь повышения прокаливаемости?

5. Какова принципиальная связь между размером (сечением) изделия и выбором марки используемой для него стали?

6. Что такое «остаточный аустенит»? Какова причина его появления?

7. Почему для изделий из легированных сталей часто применяют «обра-ботку холодом», в чем она заключается? Какова ее цель?

8. Перечислите наиболее распространенные группы конструкционных ле-гированных сталей. Каков принцип их маркировки?

9. К какой группе принадлежит сталь 20ХГНР? Приведите ее химический состав и последовательность технологических операций, формирующих окон-чательную структуру типовых изделий из этой стали.

10. Приведите 2-3 марки улучшаемых сталей, расшифруйте их. Почему их так называют? Для какого типа изделий их обычно применяют? Какова окончательная структура таких изделий?

1Желательно также выполнение лабораторных работ 7 и 8.

11. Какую сталь следует выбрать для изготовления нагруженных валов диаметром і 100 мм?

12. Приведите марки и химические составы каких-либо рессорно-пружинных и подшипниковых сталей.

Какую термообработку применяют для соответствующих изделий? Како-ва окончательная структура этих изделий?

13. Приведите несколько марок и химические составы сталей для режу-щего и измерительного инструмента. Какая термическая обработка применяет-ся для такого инструмента, какова должна быть его структура?

14. Приведите марку стали для инструмента, используемого при обработ-ке изделий на больших скоростях резания. Каково основное достоинство таких сталей?

15.Приведите по 1-2 марки инструментальных сталей для холодного и го-рячего деформирования металлов, расшифруйте их. В чем принципиальное от-личие химического состава и режимов термической обработки сталей этих двух групп?