Область применения цементуемых сталей

При требовании высокой прочности поверхностного слоя используют нитроцементуемые, цементуемые, азотируемые, а также закаливаемые и с пониженной прокаливаемостью (упрочняемые в поверхностном слое) стали. Так в качестве цементуемой углеродистой стали используются качественные и высококачественные стали марок 15, 20. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность стали имеет высокую твердость (HRC 58...62), обеспечиваемую мартенситной структурой, а сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняется ферритно-перлитная микроструктура.

Основным потребительским требованием к конструкционным машиностроительным сталям и сплавам общего назначения является наличие определенного комплекса механических свойств при их заданном распределении по сечению изделия. Комплекс механических свойств, если не предъявляются какие-либо специальные требования, включает характеристики прочности, пластичности, удельной работы деформации разрушения (ударной вязкости).

Необходимые технологические и потребительские свойства конструкционных сталей и сплавов, в основном, обеспечиваются рациональным выбором химического состава, улучшением металлургического качества, соответствующей термической обработкой и поверхностным упрочнением.

3. Марки и способы упрочнения, область применения

Карбида- и нитридообразующие элементы (такие, как Cr, Mn, Mo и др.) способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твердости, износостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость сердцевины и диффузионного слоя и снижает порог хладноломкости. Цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали по механическим свойствам подразделяют на две группы: стали средней прочности с пределом текучести менее 700 МПа (15Х, 15ХФ) и повышенное прочности с пределом текучести 700-1100 МПа (12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др.).

Хромистые (15Х, 20Х) и хромованадиевые (15ХФ) стали цементуются на глубину до 1,5 мм. После закалки (880 0С, вода, масло) и последующего отпуска (180 0С, воздух, масло) стали имеют следующие свойства: в = 690-
800 МПа, = 11-12 % , KCU = 0,62 МДж/м².

Хромомарганцевые стали (18ХГТ, 25ХГТ), широко применяемые в автомобилестроении, содержат по 1 % хрома и марганца (дешевого заменителя никеля в стали), а также 0,06 % титана. Их недостатком является склонность к внутреннему окислению при газовой цементации, что приводит к снижению твердости слоя и предела выносливости. Этот недостаток устраняется, легированием стали молибденом (25 ХГМ). Для работы в условиях изнашивания используют сталь 20ХГР, легированную бором. Бор повышает прокаливаемость, и прочность стали, но снижает ее вязкость и пластичность.

Хромоникельмолибденовая (вольфрамовая) сталь 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА) относится к мартенситному классу и закаливается на воздухе, что способствует уменьшению коробления. Легирование хромоникелевых сталей W или Mo дополнительно повышает их прокаливаемость. Причем Мо существенно повышает прокаливаемость цементованного слоя, в то время как хром и марганец увеличивают, прежде всего, прокаливаемость сердцевины. В цементованном состоянии данную сталь применяют для изготовления зубчатых колес авиационных двигателей, судовых редукторов и других крупных деталей ответственного назначения. Эту сталь используют также как улучшаемую при изготовлении деталей, подверженных большим статическим и ударным нагрузкам.

Свойства конструкционных строительных сталей и сплавов определяются в основном механическими и технологическими характеристиками. К механическим характеристикам относятся предел прочности, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость; к технологическим - жидкотекучесть, свариваемость, ковкость и др.

Для конструкционных строительных сталей и сплавов используются углеродистые (0,10...0,20% С) и низколегированные (Si, Mn, Сг и др.) стали (ГОСТ 19281-73 и ГОСТ 19282-72). Эти стали, как правило, обыкновенного качества и поставляются по механическим свойствам.

Целью легирования этих сталей является повышение закаливаемости и вследствие этого обеспечение более высоких механических свойств (главным образом, предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить 15...30% металла. Для того, чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей является также их хорошая свариваемость.

Конструкционные строительные стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном, без дополнительной терми-ческой обработки. Так стали 14Г2, 18Г2, 16ГС, 10Г2С1, 14ХГС и 15ХСНД используются для изготовления металлических конструкций, а стали 18Г2С, 25Г2С и 35ГС - для армирования железобетонных конструкций. Конструкционные строительные стали поставляют в виде прутков, профилей, листов и широких полос. Кроме того, применяют следующие изделия из этой стали: заклепки, болты, гайки, шайбы, винты, гвозди, поковки, а также стальные канаты.

Легированные цементуемые стали (15Х, 15ХА, 15ХФ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХГНР, 18ХГТ и др.) применяют для деталей, более сильно напряженных, а также более крупных размеров и сложной формы - валы, оси, шестерни и др. Легирование в этом случае обеспечивает лучшую прокаливаемость при более прочной сердцевине. В сердцевине образуются структуры бейнита или низкоуглеродистого мартенсита (HRC 30...45).

Для получения высоких прочностных свойств по всему объему изделия применяют улучшение, то есть закалку в масле и высокий (550...650°С) отпуск. При такой обработке улучшаемая сталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетание прочности и вязкости. К улуч-шаемым сталям относятся стали, содержащие s 0,35% С (углеродистые и малолегированные) и 0,2...0,3% С (средне- и высоколегированные).

Способность упрочняться на ту или иную глубину при одинаковом содержании углерода определяется влиянием легирующих элементов, но при небольших сечениях изделий это влияние менее заметно, а в деталях крупного размера у углеродистых и менее легированных сталей механические свойства значительно ниже. Поэтому выбор марки стали зависит как от уровня требуемых свойств, так и от толщины изделия, например, диаметр до 12...15 мм - стали 35, 40, 45, 50; диаметр до 50...75 мм - 40ХН, 25ХГСА, ЗОХГС; диаметр 75...120 мм - ЗОХНЗА, 40ХН2МА. Из сталей, упрочняемых по всему сечению, изготавливают оси, валы, шестерни, кривошипы, шпильки ответственного назначения, тонкостенные трубы и др.