Машиностроительные конструкционные стали: классификация, свойства и применение

Машиностроительные стали представляют собой обширную группу материалов, предназначенных для изготовления разнообразных деталей машин и механизмов. Систематизация этих сталей проводится по нескольким ключевым признакам: по химическому составу их подразделяют на углеродистые и легированные; по способу обработки выделяют цементуемые и улучшаемые стали; по функциональному назначению различают пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, автоматные и другие специальные стали. Такая классификация позволяет оптимально выбирать материал для конкретных условий эксплуатации с учетом требуемого комплекса механических и технологических свойств.

Углеродистые конструкционные стали. Углеродистые качественные стали подразделяются на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые в зависимости от содержания углерода, что определяет их структуру и область применения. Низкоуглеродистые стали марок 05кп, 08, 10, 10пс характеризуются невысокой прочностью, но высокой пластичностью, поэтому их используют без термической обработки для изготовления малонагруженных деталей – шайб, прокладок, крепежных элементов. Среднеуглеродистые стали 35, 40, 45 применяют после нормализации, термического улучшения или поверхностной закалки: в нормализованном состоянии они обладают повышенной прочностью при умеренной пластичности, после закалки с высоким отпуском (улучшения) достигается наилучшее сочетание свойств, а поверхностная закалка обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхности при вязкой сердцевине.

Высокоуглеродистые стали марок 60, 65, 70, 75 используются преимущественно как рессорно-пружинные после закалки и среднего отпуска, а в нормализованном состоянии – для прокатных валков и шпинделей станков. Основными достоинствами углеродистых качественных сталей являются их невысокая стоимость и хорошая технологичность (обрабатываемость давлением и резанием). Однако из-за низкой прокаливаемости эти стали не могут обеспечить требуемый комплекс механических свойств в деталях с сечением более 20 мм, что ограничивает их применение для крупногабаритных изделий.

Цементуемые стали. Цементуемые стали предназначены для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания и подвергающихся воздействию переменных и ударных нагрузок. Главное требование к таким материалам – сочетание высокой поверхностной твердости и износостойкости с достаточной вязкостью сердцевины, воспринимающей ударные нагрузки. Для цементации используют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%, что обеспечивает вязкую сердцевину; для более нагруженных деталей допускается повышение содержания углерода до 0,35%, при этом прочность сердцевины возрастает, но вязкость несколько снижается. Кроме цементации, такие детали часто подвергают нитроцементации или цианированию.

Цементуемые углеродистые стали 15, 20, 25 применяют для мелких деталей, работающих на износ при невысоких нагрузках – втулок, валиков, осей, шпилек. После цементации, закалки и низкого отпуска твердость поверхности достигает 60–64 HRC, а сердцевина остается мягкой и вязкой. Для более крупных и тяжелонагруженных деталей, требующих прочной сердцевины, используют цементуемые легированные стали. Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для небольших изделий простой формы с глубиной цементации 1–1,5 мм; после закалки в масле сердцевина приобретает бейнитное строение, что повышает прочностные свойства. Дополнительное легирование ванадием (сталь 15ХФ) измельчает зерно, улучшая пластичность и вязкость.

Хромоникелевые стали 20ХН, 12ХН3А применяют для средних и крупных деталей, работающих при высоких нагрузках – зубчатых колес, шлицевых валов. Никель увеличивает глубину цементованного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки, повышает вязкость сердцевины и самого слоя. Благодаря высокой устойчивости переохлажденного аустенита эти стали обладают хорошей прокаливаемостью, позволяя закаливать крупные детали в масле или на воздухе. Для особо крупных тяжелонагруженных изделий используют стали, дополнительно легированные вольфрамом или молибденом (18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА), которые считаются лучшими конструкционными материалами, однако высокая стоимость никеля ограничивает их применение.

Экономичной альтернативой хромоникелевым сталям служат хромомарганцевые стали, но они более чувствительны к перегреву и имеют пониженную вязкость. Введение небольших количеств титана (0,06–0,12%) в стали типа 18ХГТ, 30ХГТ уменьшает склонность к перегреву, а микролегирование бором (0,001–0,005%) в стали 20ХГР повышает прочность, хотя бор способствует росту зерна при нагреве.

Улучшаемые стали. Улучшаемые стали подвергают термическому улучшению – закалке с высоким отпуском, в результате чего формируется структура сорбита, обеспечивающая высокий предел выносливости и хорошее сопротивление ударным нагрузкам. Эти стали применяют для ответственных деталей, работающих в сложных напряженных условиях при действии переменных и динамических нагрузок. Содержание углерода в улучшаемых сталях обычно составляет 0,30–0,50%, что гарантирует получение необходимого комплекса прочности и вязкости после термообработки.

Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 отличаются низкой стоимостью и используются для деталей, испытывающих умеренные напряжения. Однако из-за малой прокаливаемости высокие механические свойства достигаются только в изделиях небольшого сечения. Для повышения поверхностной твердости при сохранении вязкой сердцевины (зубчатые колеса, валы) применяют поверхностную закалку ТВЧ с последующим низким отпуском.

Улучшаемые легированные стали обеспечивают более высокий комплекс свойств в крупных и тяжелонагруженных деталях благодаря повышенной прокаливаемости, более высоким значениям прочности при сохранении пластичности и вязкости, а также более низкому порогу хладноломкости. Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х используют для средненагруженных деталей небольшого сечения; они склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска требуется быстрое охлаждение. Микролегирование бором (сталь 35ХР) повышает прокаливаемость, а введение ванадия (сталь 40ХФА) значительно увеличивает вязкость.

Хромокремнистые (33ХС) и хромокремниймарганцевые стали (25ХГСА, так называемые хромансилы) отличаются высокой прочностью при умеренной вязкости и хорошей свариваемостью, что делает их незаменимыми для сварных узлов, кронштейнов, крепежных деталей в автомобилестроении и авиации. Хромоникелевые стали 45ХН, 30ХН3А обладают высокой прокаливаемостью, прочностью и вязкостью, но чувствительны к обратимой отпускной хрупкости; для ее устранения вводят молибден или вольфрам. Стали мартенситного класса 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА и аналогичные, легированные никелем, молибденом и ванадием, сохраняют прочность при нагреве до 300–400°С и применяются для валов турбин, роторов, тяжелонагруженных деталей редукторов и компрессоров.

Высокопрочные стали. Высокопрочными называют стали с пределом прочности более 1500 МПа, что достигается оптимальным легированием и специальными режимами термической или термомеханической обработки. Такой уровень прочности реализуется в среднеуглеродистых легированных сталях (30ХГСН2А, 40ХН2МА) после закалки с низким отпуском (200–250°С) или изотермической закалки на нижний бейнит. Последний вариант обеспечивает несколько меньшую прочность, но более высокие пластичность и вязкость, что повышает надежность деталей при эксплуатации. Стали, закаленные и низкоотпущенные, чувствительны к концентраторам напряжений и склонны к хрупкому разрушению, поэтому их рекомендуют для условий плавного нагружения.

Легирование вольфрамом, молибденом, ванадием замедляет разупрочнение при нагреве до 200–300°С, измельчает зерно, понижает порог хладноломкости и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Применение термомеханической обработки (ВТМО, НТМО) позволяет достичь еще более высоких показателей: например, стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности до 2800 МПа при увеличении пластичности и ударной вязкости вдвое по сравнению с обычной закалкой.

Особую группу составляют мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ), представляющие собой безуглеродистые сплавы железа с никелем (8–25%), кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. После закалки фиксируется высокопластичный низкопрочный никелевый мартенсит, а упрочнение происходит при старении (450–550°С) за счет выделения дисперсных интерметаллидных фаз. Эти стали обладают уникальным сочетанием прочности (около 2000 МПа), вязкости и технологичности, работают в интервале от криогенных температур до 500°С и применяются для корпусов ракетных двигателей, подводных лодок, батискафов, высоконагруженных деталей турбомашин и специального вооружения.

Пружинные стали. Пружинные стали предназначены для изготовления упругих элементов – пружин, рессор, торсионов, которые в процессе эксплуатации испытывают многократные знакопеременные нагрузки и должны возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузки, не допуская остаточной деформации. Основные требования к этим сталям – высокие значения пределов упругости, текучести, выносливости, достаточная пластичность и сопротивление хрупкому разрушению, а также стойкость к релаксации напряжений – самопроизвольному снижению напряжений при постоянной деформации, что приводит к потере упругости.

Для пружин используют углеродистые стали 65, 70 и легированные стали 60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР. Упрочнение углеродистых пружинных сталей часто достигается холодной пластической деформацией (наклепом) с последующей дробеструйной обработкой, создающей в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия. Оптимальные упругие свойства получают после закалки и среднего отпуска при 400–480°С, формирующего структуру троостита. Для обеспечения однородности свойств по сечению необходима сквозная прокаливаемость. Легирующие элементы – кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, бор – повышают предел упругости и релаксационную стойкость. Важно предотвратить обезуглероживание поверхности при нагреве и обеспечить высокое качество поверхности.

Для специальных условий (коррозионные среды, высокие температуры) применяют пружины из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенито-мартенситных (09Х15Н8Ю) и даже быстрорежущих (Р18) сталей.

Шарикоподшипниковые стали. Шарикоподшипниковые стали работают в условиях высоких локальных контактных нагрузок, циклического нагружения и трения качения. Главные требования – высокая твердость, износостойкость, контактная выносливость и отсутствие неметаллических включений, которые могут стать концентраторами напряжений и вызвать разрушение. Эти стали содержат около 1% углерода и хром (марки ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ). Высокое содержание углерода и хрома обеспечивает после закалки структуру мартенсита с равномерно распределенными карбидами, что дает твердость 62–66 HRC и необходимую износостойкость.

Технология производства шарикоподшипниковых сталей включает строгий металлургический контроль на наличие пористости, карбидной сетки и ликвации. Термическая обработка состоит из отжига (после ковки для подготовки структуры), закалки (790–880°С, охлаждение в масле для колец и роликов, в водных растворах солей для шариков) и низкого отпуска при 150–170°С. Для крупногабаритных подшипников прокатных станов используют цементуемые стали 20Х2Н4А, 18ХГТ с глубокой цементацией (5–10 мм). В агрессивных средах применяют высокохромистую сталь 95Х18.

Стали для низких температур. Для эксплуатации при низких температурах (до –60°С и ниже) необходимы стали с пониженным порогом хладноломкости. Наиболее эффективны в этом отношении никельсодержащие стали, а также низколегированные малоуглеродистые стали, обладающие хорошей свариваемостью. В строительных конструкциях успешно используется термомеханически упрочненный прокат. Для деталей машин применяют стали с дисперсионным упрочнением и мелкозернистой структурой: 10ХСНД, 15Г2СФ, 12ГН2МФАЮ.

Криогенные стали предназначены для работы при сверхнизких температурах (хранение и транспортировка сжиженных газов: кислород – –183°С, водород – –253°С). Основной тип таких материалов – аустенитные стали с повышенным содержанием никеля и хрома, сохраняющие вязкость при криогенных температурах: 10Х14Г14Н4Т, 10Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6.

Износостойкие стали. Классическим представителем износостойких сталей является высокомарганцевая сталь 110Г13Л, содержащая 1,0–1,4% углерода и 12–14% марганца. В исходном состоянии (после закалки) она имеет аустенитную структуру и невысокую твердость (200–250 НВ). Однако под действием высоких удельных нагрузок, вызывающих пластическую деформацию, сталь интенсивно наклепывается, ее твердость и износостойкость резко возрастают при сохранении высокой вязкости. Эта уникальная способность к наклепу делает сталь 110Г13Л незаменимой для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания с ударными нагрузками: щек камнедробилок, корпусов шаровых мельниц, крестовин железнодорожных рельсов, траков гусениц, козырьков землечерпалок. Способность к интенсивному наклепу характерна для многих сталей аустенитного класса.

Автоматные стали. Автоматные стали предназначены для высокопроизводительной обработки на станках-автоматах, они обладают улучшенной обрабатываемостью резанием, что обеспечивает высокое качество поверхности, мелкую стружку и повышенную стойкость инструмента. Повышение обрабатываемости достигается введением в сталь серы, селена, теллура, кальция, изменяющих состав неметаллических включений, а также свинца, образующего собственные включения. Классические автоматные стали А12, А20 с повышенным содержанием серы и фосфора используются для малонагруженных деталей – болтов, гаек, винтов, мелких деталей швейных и счетных машин. Они могут подвергаться цементации и закалке для повышения износостойкости.

Для более нагруженных деталей применяют стали А30, А40Г. Стали со свинцом (АС11, АС40) обеспечивают повышение скорости резания на 25–50% и стойкости инструмента в 1–3 раза. Легированные автоматные стали с присадками свинца и кальция (АЦ45Г2, АСЦ30ХМ, АС20ХГНМ) используют для ответственных деталей в автотракторной промышленности. Для устранения ликвации серы автоматные стали подвергают диффузионному отжигу при 1100–1150°С.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.