Стали для поверхностного упрочнения

Легированные стали

Конструкционные стали

Они составляют 70% всех выплавляющихся сталей, это наиболее естественный и распространенный класс стали. В них входят стали особого назначения.

Строительные стали

В качестве их широко применяют углеродистые стали обычного качества. Наиболее широко применяются: Ст3, Ст4, Ст5. Они применяются как в горячекатаном состоянии, так и после нормализации и улучшения. Термическая обработка позволяет повысить прочность этих сталей и снизить порог хладноломкости. Так для Ст3 σ_в=240МПа, Т₅₀=0⁰С. Нормализация позволяет поднять σ_т до 260МПа, а Т₅₀ спустить до -20⁰С, после улучшения σ_т=300МПа, а Т₅₀=-40⁰С.

Более прочные низколегированные строительные стали

Стали с повышенной прочностью могут иметь маркировку ВПНЛС-3(Высокопрочные низколегированные строительные,3-номер марки). При разработке таких сталей учитывают следующие моменты:

1)нельзя повышать %С более чем на0,2%.

2) Повышение прочности может быть достигнуто за счет уменьшения %С и повышения Мn. Обычно содержание Мn не превышает 2%. В этом количестве Мn не ухудшает свариваемость и диформируемость стали, не повышает порога хладно ломкости диформируемость идет за счет феррита. 3)Увеличение перлитной составляющей при заданном количестве С и увеличение дисперсности П за счет легирования Mn,S,Cr,Ni. Эти элементы замедляют распад А_п в перлитной области, опускают температуру распада ниже. В результате в структуре присутствует псевдоэвтектоид, цементитные пластинки которого чрезвычайно тонкие, он сохраняет высокую пластичность. Повышение придела текучести в таких сталях не сопровождается значительным падением их пластичности. Вариантом являются стали с бейнитной структурой. Наиболее легко ее получить в сталях: 0,2%С, 0,5%Мо, 0,003%В.

4)Дисперсионное упрочнение. Так как карбидообразующие элементы могут ухудшить свариваемость сталей, в дисперсионно упрочняющихся сталях рекомендуется уменьшить содержание %С до 0,1%.Дисперсные включение служат не только упрочняющей фазой но и измельчают зерно. В результате пластичные характеристики и характеристики вязкости могут оказаться выше чем у сталей таких же но без дисперсионного упрочнения. Мелкое зерно также способствует снижению Т_50. В строительные стали с дисперсионным упрочнением чаще всего вводится:0,08%V или 0,03-0,05%Nb, также в стали может быть повышенное содержание N – 0,015-0,03%, также могут быть 0,15-0,3 Al.

Все строительные стали делятся: а)строительные; б)судостроительные; в)мостовые; г)арматурные; д)трубные. В свою очередь строительные стали делятся на 15 групп: 1)гарантирует только химические свойства; 2)+ прочностные характеристики; 3)+ KCU; 4-10)все те же характеристики но при снижении температуры; 11-15)учитывают эти характеристики и после старения.

По химическому составу строительные стали разделяются: марганцовистые, углеродистые 09Г2, 12Г2, 09Г2Д, стали кремний марганцовистые 09Г2С, 14ГС, 09Г2СД. Стали с перлитным и бейнитным упрочнением легируются хромом 09ХГС, 09ХГРМ. Стали с дисперсным упрочнением 10ХГНФ, 14ХГФМАЮ. В любом случае содержание легирующих элементов в строительных сталях не должно превышать 2-2,5%. И все легирующие элементы должны быть как можно дешевле. Марганцовые и кремний марганцовые стали могут применятся как в горячекатаном так и в термообработаном виде.

Судостроительные стали в принципе те же самые, но обязательно легированы Cu.

Стали мостовые обычно содержат несколько больше углерода, желательно более полная очистка по фосфору 09Г2, 14Г2, 16Г2С.

Арматурные стали выпускаются в виде стержней. Так как арматура выпускается для напряженного и предварительно напряженного состояния, то все стали разделяются на 7 групп: первые три не напряженные 1)σ_т=240МПа,3)6 σ_т =600 МПа; 4-7-для напряженного 4) σ_т=800МПа, 6) σ_т=1000МПа, 7) σ_т=1200МПа.

Стали для трубопроводов 09Г2,14Г2ФБ.

Стали для холодной штамповки

Должны обладать максимальной пластичностью. Стали для холодной высадки: Сталь 08_кп, если спокойная – 08Ю(Al до 0,2%), раскисление Si не допускается так как он сильно снижает пластичность. Мелкие зерна П должны быть на стыке трех перлитных зерен.

Автоматные стали

Это стали имеющие повышенную обработку резаньем. Основные элементы повышающие обработку резаньем это S, P, Pb, Se. Действие этих элементов несколько различно. Р охрупчивает вязкий Ф, за счет этого облегчает обламывание и отвод стружки, его повышенное содержание только в самых не ответственных сталях. S образует сульфиды Mn, которые имеют высокую пластичность и не мешают горячей прокатке, по сульфидам стружка обламывается кроме того сульфиды служат смазкой, уменьшают внутреннее трение, в результате обработки поверхность становится лучше. Содержание S 0,15-0,3%, кроме того несколько повышено содержание Mn 0,7-1,0%. Стали содержащие S маркируются буквой А: А11, А12, А20(11-содержание С в сотых долях),имеют повышенное содержание Р. Для них не применят термическую обработку.

Сталь А30, А35, А40 – содержание Р не повышенное, сталь подвергается термической обработки, после чего ее свойства мало отличаются от такой же но без S.

Недостаток: анизотропия свойств. Для избегания этого вводят Se от 0,04 до 0,1. Он входит в состав сульфидов, образуются сульфаселениды. Главная его задача изменение морфологии, получаем округленные сульфиды.

А30Е – если в стали есть Se, то ставиться Е.

А30ХЕ – сернисто-силенистые стали, есть и легированы.

Pb добавляют в сталь от 0,17 до 0,35%. Pb не растворяется ни в какой из фаз стали, образует дисперсные чисто свинцовые зерна. Действия свинца сказывается в следующем: помогает обламыванию стружки, в приповерхностных слоях включения Pb оплавляються и помогают разрушению и съему метала. Кроме того служат смазкой, обеспечивают хорошое качество поверхности и стой кости инструмента.

Если в стале есть Pb:

АС40 – таких сталях может быть присутствия серы от 0,035 до0,06%

АС20ХН, АС40ХНМ

Автоматные стали модифицируют кальцием: АЦХН, АСЦ30Х2НГФА

Стали для поверхностного упрочнения

Цементуемые, азотируемые и стали с пониженной прокаливаемостью. Все эти стали применяются в том случае, когда нужная высокая твердость и износостойкость поверхности и достаточная вязкость сердцевины.

Стали цементуемые

Для цементации применяются стали с содержанием С до 0,3%, а обычно не более 0,25% С. Из углеродистых сталей наиболее часто применяют стали марок: Сталь 10, 15, 20. Для наименее ответственных деталей можно применять Ст3. Углеродистым сталям при размере изделий менее 10 мм термообработка как для слоя так и для сердцевины, при большом размере сердцевина не обрабатывается. Все цементуемые стали делятся на стали повышенной прочности и высокопрочные. Стали повышенной прочности имеют после термической обработки бейнитную структуру сердцевины, а высокопрочные и в сердцевине закаливаются на мартенсит.

Выбор легирующих элементов для цементованых сталей

Легирующие элементы должны во-первых: повышать прокаливаемость стали, ее прочность, элементы не должны значительно уменьшать содержание С в цементованом слое и по возможности уменьшать глубины слоя.

Карбидообразующие элементы снижают термодинамическую активность С, с повышенным содержания углерода в аустените при цементации, но уменьшают толщину цементуемого слоя. Не карбидообразующие элементы уменьшают количество углерода в слое и увеличивают толщину слоя. Твердость цементованого слоя после термической обработки зависит прежде всего от содержания углерода.

Легирующие элементы должны способствовать сохранению мелкого зерна в стали. Так как процесс цементации в стали требует Т=900-950^оС и длительных выдержек. Основные легирующие элементы для цементуемых сталей Cr, Ni, Mn. Для сохранения мелкого зерна вводят V или Тi, реже Nb. Для увеличения прокаливаемости может быть введен B. Легированные стали обязательно подвергаются двойной термической обработки. Стали повышенной прочности относительно слабо легированы: 20Х, 20ХФ, 15ХВФ, подвергаются нормализации с температуры цементации. После чего проводят закалку с повторного нагрева для цементованого слоя и последующий низкий отпуск.

Стали высокопрочные цементованые: 18ХН3А, 20Х2Н2А,20Х2Н2МА. Эти стали имеют после термической обработки в сердцевине σ_т≥1000МПа, КСU≥1,0МДж/м². Во всех иных случаях используют стали где Ni заменяется Mn (тоисть получаем немного хуже свойства вязкости и пластичности): 20ХГТ, 18ХГРТ,18ХГН2А. Чем сильнее легирована сталь, тем больше А_ост после закалки в цементованом слое, тем ниже твердость. Поэтому после закалки делаем обработку холодом, а потом низкий отпуск.

Азотируемые стали

Азотирование применяют с той же целью что и цементацию, для повышения твердости и износостойкости поверхности при сохранении вязкости сердцевины. С этой целью применяется твердое азотирование при Т=-500- -530^оС. Толщина азотированного слоя не превышает 0,4мм, исходя из этого можно сделать вывод: азотирование является окончательной операцией, изделия должно полностью пройти термическую обработку и механическую обработку. Понятно, что термическая обработка должна обеспечить такую структуру стали, которая бы не изменялась при азотировании. В азотированном слое образуются нитриды железа и легирующих элементов. Нитриды железа не стойки к коагуляции, поэтому на углеродистых сталях азотирование производить не рационально, твердость слоя низкая. Высокую твердость обеспечивают нитриды легирующих элементов, несклонные к коагуляции. Поэтому азотированию подвергаются стали в состав которых входит Cr, Mo, W, V, Al. Стали, которые созданы для азотирования называются нитролои. Наиболее широко применяются стали: 30Х2М, 35ХМ10А, 38Х2МЮА, 35Х2ВФА. Стали содержащие Mo, а также W не склонны к отпускной хрупкости 2-го рода. Твердость азотного слоя в таких сталях составляет до 1000 по Викерсу.

Недостатки азотирования: малая глубина слоя, она приводит к тому, что он плохо выдерживает высокие контактные давления.

Азотирование применяется в тех случаях, когда необходимо повысить износостойкость и усталостную прочность изделия.

Стали с пониженной прокаливаемостью

В таких сталях при сквозном нагреве мартенситное превращение протекает только в поверхностном слое, этого добиваются ограничением содержания элементов повышающих прокаливаемость.

Сталь55ПП MN<0,2%

Cr<0,15%

Si=(0,2-0,3%)