Конструкционные стали. Учебное пособие. Г. И. Сильман конструкционные стали

• Название: Г. И. Сильман конструкционные стали
• Анкор: Конструкционные стали. Учебное пособие.doc
• Дата: 12.10.2017
• Размер: 7.36 Mb.
• Имя файла: Конструкционные стали. Учебное пособие.doc
• Тип: Учебное пособие; #9347
• страница: 3 из 8

1.2. Легирование сталей

Легирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для повышения ее свойств. Легированные стали обладают лучшими механическими свойствами после термической обработки (особенно в изделиях крупных сечений), более высокой прокаливаемостыо, имеют более мелкое зерно и дисперсную структуру. Эти стали более технологичны при термической обработке (при закалке их охлаждают в масле или на воздухе). Легирующие элементы по­вышают устойчивость мартенсита против отпуска и задерживают коагуляцию карбидов. Это приводит к повышению теплостойкости стали.

Рациональное легирование сталей обеспечивает и необходимый уровень специальных свойств: окалиностойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости, износостойкости и др.

При маркировке сталей легирующие элементы обозначают сле­дующими буквами: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фос­фор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ц – цир­коний, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры означает, что оно составляет 1...1,5% и менее. Легированные стали выплавляют качественными (до 0,035% Р и до 0,035% S) или высококачественными (до 0,025% Р и до 0,025% S). Высококачественные стали обозначают буквой А в конце марки. Примерами марок качественных сталей могут служить стали 20Х, 12ХН2, 18ХГТ, 40ХН и др. К высококачественным отно­сятся стали 12Х2Н4А, 30ХМА, 38Х2МЮА и др.

Влияние углерода и легирующих элементов на некоторые ха­рактеристики сталей показано в табл.4.

Таблица 4

Влияние элементов на свойства сталей

Характеристики сталей	Элементы
	Mn	Si	Cr	Ni	W, Mo	Ti,V до 0,2%	В, до 0,01%	V, > 0,2%	C
Прочность	↑	↑	↑	↑	↑↑	↑	↑	↑↑	↑
Хладостойкость	-	↓	↑	↑	↑	↑	↓↓	↑↓	↓
Прокаливаемость	↑	↑	↑	↑	↑↑	↓	↑↑↑	↑	↑
Склонность к. перегреву	↑	↓	-	-	↓	↓↓	↓	↓↓	↓
Склонность к обезуглероживанию	↓	↑↑	↓↓	↑	↓	↓	-	↓↓	↑
Склонность к графитизации	↓	↑↑	↓↓	↑	↓	-	↓	↓↓	↑↑
Стоимость	↑	↑	↑	↑↑	↑↑↑	↑	↑	↑↑	-

В таблице приняты следующие обозначения: ↑ – повышает, ↑↑ – сильно повышает, ↑↑↑ – очень сильно повышает, ↓ – понижает, ↓↓ – сильно понижает, - – практически не влияет, ↑↓ – двойственный ха­рактер влияния.

Сильное влияние на повышение прочностных свойств и прокаливаемости оказывают комплексы Cr + Ni, Cr + Ni + Mo, Сг + Mn + Si и др. Дополнительное использование в комплексах небольших коли­честв ванадия, ниобия или титана обеспечивает получение более мелкой структуры и повышение механических свойств стали. Высо­кое легирование стали комплексами Cr + Al, Cr + Al + Si придает ей повышенную окалиностойкость. Получение в сталях однофазной структуры за счет высокого легирования элементамн-ферритизаторами (Сг, Si, Al, Mo) или элементами-аустенитизаторами (Ni, Мn или сочетания Ni + Cr, Mn + Ni + Cr, Mn +Ni + Cr +Ti и др.) обес­печивает их высокую антикоррозионную стойкость (нержавеющие стали).

1.3. Литейные стали

Маркировка, химические составы и регламентируемые механи­ческие свойства сталей приведены в ГОСТ 977-88 (на углеродистые и легированные стали) и ГОСТ 2176-77 (на высоколегированные стали со специальными свойствами). По назначению литейные стали подразделяют на три группы: 1 – для отливок общего назначения, 2 – для отливок ответственного назначения, 3 – для отливок особо ответственного назначения. В отливках из сталей группы 1 контролиру­ются внешний вид, размеры и химический состав. Для сталей груп­пы 2 регламентируются также прочностные свойства и относитель­ное удлинение, а для сталей группы 3– и ударная вязкость. Сорта­мент отливок регламентирован ГОСТ 2009-83 и 3212-92.

Углеродистые конструкционные стали для отливок подразде­ляются на марки: 15Л, 20Л...55Л. Число показывает содержание уг­лерода в сотых долях процента. Маркировка легированных литей­ных сталей аналогична маркировке качественных деформируемых сталей, но с буквой Л в конце марки (например, 35ГЛ, ЗОГСЛ, 08ГДНФЛ). Отливки из углеродистых и легированных сталей под­вергают термической обработке – нормализации с отпуском или закалке с отпуском.

По прочностным свойствам литейные стали близки к дефор­мируемым, но уступают последним по ударной вязкости.

Из литых сталей изготавливают детали, подвергающиеся удар­ным нагрузкам (захваты, блоки, ролики, копровые бабы), детали сварно-литых конструкций (стали 15Л, 20Л); ответственные детали автосцепки (стали 20Л, 20ГЛ, 20ГТЛ); корпуса подшипников, средненагруженные зубчатые колеса, оси, валы (сталь 25Л); рычаги, ба­лансиры, корпуса редукторов, шкивы, кронштейны, бандажи, махо­вики (сталь 30Л); корпуса и обоймы турбомашин, вилки, крон­штейны и др. (сталь 35Л); стаканы, корпуса, муфты, тормозные диски, шестерни, кожухи, вилки, звездочки, храповики, клинья, де­тали лебедки (стали 40Л и 45Л); шестерни, бегунки, колеса, зубча­тые венцы, валы, кулачковые муфты, крестовины, детали экскава­торов и дробильно-размольного оборудования (стали 35ГЛ, 30ХГСД, 35ХГСД, 35ХМЛ, 40ХЛ); различные детали для судо­строения (стали 08ГДНФЛ, 13НДФГЛ, 12ДН1МФЛ); детали дро­бильно-размольного оборудования, трамвайные и железнодорож­ные стрелки и крестовины, гусеничные траки, зубья ковшей экска­ваторов (сталь 110Г13Л).
1.4. Стали для деталей с повышенной твердостью поверхности

при вязкой сердцевине

Данную группу сталей подразделяют на цементуемые, нитроцементуемые, азотируемые и упрочняемые поверхностной закалкой (в основном закалкой ТВЧ). Цементации н нитроцементации под­вергают различные детали: шестерни, зубчатые колеса, червяки, оси, рычаги переключений. Нитроцементации

подвергают подшипники качения, мерительный, калибрующий и режущий инструмент. Хи­мический состав, термическая обработка и механические свойства некоторых цементуемых и нитроцементуемых сталей приведены в табл.5 и б по ГОСТ 4543-71. Области применения сталей этой груп­пы приведены в табл.7.

Таблица 5

Химический состав и термическая обработка некоторых цементуемых

и нитроцементуемых сталей

Марка стали	Содержание элементов, мас. %					Термообработка
	С	Mn	Cr	Ni	Другие	Tзак., °С, среда	tотп., °С, среда
1	2	3	4	5	б	7	8
15Х	0,12-0,18	0,4-0,7	0,7-1,0	-	-	800, в.m.	180, вх., м.
20Х	0,17-0,23	0,5-0,8	0,7-1,0	-	-	880, в.м.; 770-820, в.м.	180, вх., м.
15ХФ	0,12-0,18	0,4-0,7	0,8-1,1	-	0,06-0,12 V	880, в.м.; 760-810, в.м.	180, вх., м.
18ХГТ	0,17-0,23	0,8-1,1	1,0-1,3	-	0,03-0,09 Ti	880-950, вх.; 850, м.	200, вх., м.
20ХГР	0,18-0,24	0,7-1,0	0,7-1,0	-	0,001-0,005 В	880, м.	200, вх., м.
20ХН	0,17-0,23	0,4-0,7	0,45-0,75	1,0-1,4	-	800, в.m.; 760-810, в.м.	180, вх., м.
20ХНР	0,16-0,23	0,6-0,9	0,7-1,1	0,8-1,1	0,001-0,005 В	930-950, вх.; 780-830, м.	200, вх., м.

Продолжение таблицы 5

1	2	3	4	5	6	7	8
20ХГНР	0,16-0,23	0,7-1,0	0,7-1,1	0,8-1,1	0,001-0,005 В	930-950, м.; 780-830, м.	200, вх., м.
20ХГНТР	0,18-0,24	0,8-1,1	0,4-0,7	0,4-0,7	0,03-0,09 Тi, 0,001-0,005 В	850, м.	200, м.
25ХГТ	0,22-0,29	0,8-1,1	1,0-1,3	-	0,03-0,09 Ti	880-950, вх.; 850, м.	200, в.м.
25ХГМ	0,23-0,29	0,9-1,2	0,9-1,2	-	0,2-0,3 Мо	860, м.	200, вх.
30ХГТ	0,24-0,32	0,8-1,1	1,0-1,3	-	0,03-0,09 Ti	880-950, вх.; 850, м.	200, м.
12ХНЗА	0,09-0,16	0.3-0,6	0,6-0,9	2,75- 3,15	-	860 м.; 760-810, м.	180, вх., м.
12Х2Н4А	0,09-0,15	0,3-0,6	1,25-1,65	З,25-3,65	-	860, м.; 760-810, м.	180, вх., м.
20Х2Н4А	0,16-0,22	0,3-0.6	1,25-1,65	3,25-3,65	-	860, м.; 760-810, м.	180, вх., м
15ХГН2ТА	0,13-0,18	0,7-1,0	0,7-1,0	1,4-1,8	0,03-0,09 Ti	960, вх; 840, м.	180, вх., м
18Х2Н4МА	0,14-0,20	0,25-0,55	1,35-1,65	4,0-4,4	0,3-0,4 Mo	950, вх.; 860, вх.	200, вх., м
18Х2Н4ВА	0,14-0,20	0,25-0,55	1,35-1,65	4,0-4,4	0,8-1,2 W	950, вх.; 860 вх.	200, вх., м

Принятые обозначения охлаждающих сред: в. – вода, м. – масло, вх. – воздух.

Таблица 6

Свойства цементуемых и нитроцементуемых сталей

Марка стали	Механические свойства					Твердость НВ после отжига, не более	Максимальное, сечение детали, мм
	0,2	В			КСU, Дж/см2
	МПа		%
	не менее
1	2	3	4	5	6	7	8
15Х	500	700	12	45	70	179	30
20Х	650	800	11	40	60	179	35
15ХФ	550	750	13	50	80	187	30
18ХГТ	900	1000	9	50	80	217	35
20ХГР	800	1000	9	50	80	197	40-60

Продолжение таблицы 6

1	2	3	4	5	6	7	8
20ХН	600	800	14	50	80	197	40
20ХНР	1000	1200	10	50	80	197	40-60
20ХГНР	1100	1300	10	50	90	197	60-80
20ХГНТР	1000	1200	9	50	80	197	60-80
25ХГТ	1000	1300	9	45	60	217	60-80
25ХГМ	1100	1200	10	45	80	217	60-80
30ХГТ	1300	1500	9	40	60	229	60-80
12ХН3А	700	950	11	55	90	217	60-80
12Х2Н4А	950	1150	10	50	90	269	100-120
20Х2Н4А	1100	1300	9	45	80	269	100-120
15ХГН2ТА	750	950	11	65	100	-	50-70
18Х2Н4МА	850	1150	12	50	100	269	>120
18Х2Н4ВА	800	1050	12	50	120	269	>120

Таблица 7

Применение цементуемых и нитроцементуемых сталей

Марки сталей	Применение
1	2
15Х, 15ХА, 2ОХ	Поршневые пальцы, кольца, распределительные и червячные валы, толкатели клапанов, копиры, ролики толкателей автотракторных двигателей
18ХГТ	Зубчатые колеса коробок передач автомобилей и тракторов, ведомое зубчатое колесо бортовой передачи трактора
25ХГМ, 25ХГТ	Зубчатые колеса коробок передач грузовых автомобилей ЗИЛ, зубчатое колесо включения заднего моста автомобиля УАЗ 3451 Д
30ХГТ	Зубчатые колеса коробки передач грузовых автомобилей, раздаточных коробок главной передачи автомобилей и автобусов, цилиндрические и конические зубчатые колеса редуктора заднего моста грузовых автомобилей
20ХГР	Зубчатые колеса, кулачковые муфты, валы-шестерни, червяки, пальцы
12ХНЗА, 20ХНЗА	Ведущие зубчатые колеса электровозов и моторных вагонов, поршневые пальцы, распределительные валики и оси
12Х2H4A, 20Х2Н4А	Зубчатые колес, валы-шестерни, шлицевые валы, силовые шпильки
18Х2Н4МА, 14Х2Н3МА, 18Х2Н4ВА	Коленчатые тяжело нагруженные валы с поверхностно упрочненными шейками, ответственные крупногабаритные зубчатые колеса, шестеренные валы

Продолжение таблицы 7

1	2
15ХГН2ТА, 15Х2ГН2ТА	Зубчатые колеса, коленчатые валы с цементуемыми шейками, шатуны с цементуемой внутренней поверхностью
20ХГНТР	Ответственные детали автомобилей: крестовины кардана, рычаги, зубчатые колеса
25Х2ГНТА	Валы-шестерни, пальцы, ролики, зубчатые колеса, оси и др. детали, работающие при больших скоростях и ударных нагрузках

Для азотирования наиболее широко используются стали 38Х2Ю и 38Х2МЮА. Химический состав в механические свойства этих сталей по ГОСТ 4543-71 приведены в табл.8 и 9. Механические свойства стали 38Х2МЮА при повышенных температурах приведе­ны в табл.10.

Таблица 8

Химический состав сталей для азотирования

Сталь	Содержание элементов, мас. %
	С	Si	Mn	Cr	Al	Mo
38Х2Ю	0,35-0,43	0,2-0,4	0,2-0,5	1,5-1,8	0,5-0,8	-
38Х2МЮА	0,35-0,42	0,2-0,45	0,3-0,6	1,35-1,65	0,7-1,1	0,15-0,25

Таблица 9

Термическая обработка и свойства азотируемых сталей

Сталь	Температура, оС		Механические свойства
	закалки	отпуска	0,2	В			КСU, Дж/см2	Твердость НВ после отжига
			МПа		%
38Х2Ю	930	630	750	900	10	45	80	до 229
38Х2МЮА	940	640	850	1000	14	50	90	до 229

Таблица 10

Свойства стали 38Х2МЮА при повышенных температурах

Температура, оС	0,2	В	, %
	МПа
1	2	3	4
20	870	980	19,0
150	790	910	15,0

Продолжение таблицы 10

1	2	3	4
200	720	870	16,5
425	610	730	21,0
538	450	620	25,0

Азотирование существенно влияет па свойства этих сталей. Ме­ханические свойства сталей после азотирования в деталях толщиной до 60 мм приведены в табл.11. Видно, что особенно заметно возрас­тает предел выносливости _-1 (до азотирования он составляет 450...480 МПа).

Сталь 38Х2Ю применяется для трущихся деталей приборов, де­талей вспомогательных узлов машин и приспособлений (копиры, плунжеры, направляющие втулки кондукторов, валики водяных насосов).

Таблица 11

Свойства сталей после азотирования

Сталь	0,2		В	, %	КСU Дж/см2	-1, МПа	Твердость
	МПа						НВ сердцевины	HV поверхности
38Х2Ю	800	950		12	80	600	260	800-1000
38Х2МЮА.	900	1050		18	90	630	269	850-1050

Применение стали 38Х2МЮА: ответственные детали турбин и двигателей (штоки клапанов, гильзы цилиндров, рессоры, втулки, толкатели игл форсунок, тарелки букс, распылители, пальцы, распределительные валики, зубчатые колеса, шпиндели), детали точного машиностроения и приборостроения, от которых требуются большая поверхностная твердость, износостойкость и повышенный предел выносливости.

Выбор сталей, упрочняемых поверхностной закалкой, прово­дится в основном по содержанию углерода. Чаше всего используют стали с 0,4...1,0%С. Для поверхностной закалки ТВЧ в основном применяются стали 40, 45 и 40Х с целью обеспечения высокой кон­тактной прочности и износостойкости деталей.

В настоящее время проводят также объемно-поверхностную закалку (при глубинном индукционном нагреве) для сталей с регламентируемой прокаливаемостыо 55ПП, 47ГТ, ШХ4РП Такой метод обеспечивает более вы­сокую конструктивную прочность. Его применяют для тяжело на­груженных деталей, подвергаемых высоким изгибающим, крутящим и контактным нагрузкам, а также для деталей сложной формы (зубчатых колес, крестовин, деталей подшипников качения). После глубинного индукционного нагрева и интенсивного охлаждения образуется твердый ( HRC 60) и прочный поверхностный слой и упрочненная сердцевина (HRC 30...40).

Ниже приведено описание применения различных марок по­верхностно закаливаемых сталей.

Сталь 55ПП (сталь 58) (ГОСТ 1050-88) применяется для дета­лей с тонким сечением рабочего элемента и глубиной закаленного слоя 1,5...2,5 мм (тяжело нагруженные зубчатые колеса, трубчатые втулки, поршневые пальцы и др.).

Сталь 47ГТ (ТУ 14-105-233-78) применяется для валов и осей диаметром 40...60 мм, в том числе автомобильных осей с глубиной закаленного слоя 5...7 мм.

Сталь ШХ4РП (ГОСТ 801-78) применяется для колец, роликов и шариков тяжело нагруженных подшипников качения с толщиной 12...20 мм и глубиной закаленного слоя 2,5...3,5 мм.

Химические составы сталей регламентируемой прокаливаемости приведены в табл.12.

.Таблица 12

Составы сталей регламентируемой прокаливаемости

Сталь	Содержание элементов, мас. %
	С	Si		Mn		Сг	Ni	Cu	Р	S
							не более
55ПП	0,55-0,63	0,10-0,30		до 0,2		до 0,15	0,25	0,25	0,035	0,04
47ГТ	0,44-0,51		0,10-0,22	0,9-1,2	до 0,3		0,25	0,20	0,04	0,04
ШХ4РП	0,5-1,05		0,15-0,30	0,15-0,30	0,35-0,40		0,30	0,25	0,02	0,027

Механические свойства стали 55ПП приведены в табл.13 после закалки с индукционным нагревом до 850°С и отпуском при 180°С (образец диаметром б мм) и после нормализации при 850°С (заготовка диаметром 130 мм).

Таблица 13

Механические свойства стали 55ПП

Термическая обработка	Свойства
	0,2	В			КСU, Дж/см2	Твердость HRC
	МПа		%
Закалка с отпуском	1900-2100	2100-2300	3-5	25-30	20-40	57-58
Нормализация	300	600	10	25	35	20

Стали 40 и 45 применяются для коленчатых и распределитель­ных валов тракторов (с закалкой ТВЧ опорных шеек до HRC 54-62), для полуосей грузовых автомобилей ГАЗ, кулачков и зубчатых колес с умеренной контактной прочностью.