Марки сталей и их свойства

В зависимости от требований по прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств в машиностроении используют большое количество различно легированных сталей. Марки легированных конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543 – 2016, ряд сталей изготавливается также по техническим условиям. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются: Cr, Mn, Ni, Mo, B, V и др. Содержание углерода в них обычно находится в пределах 0,06 – 0,54 %.

В таблице № 2 приведен химический состав и гарантируемы механические свойства наиболее широко распространенных улучшаемых машиностроительных сталей. Приведенные механические свойства нормированы как контрольные послеуказанной термической обработки для заготовок с размером сечения 25 мм (круг или квадрат). Для каждой стали свойства будут зависеть от температуры отпуска.

Таблица № 2

Легированным конструкционным улучшаемым сталям свойственна повышенная анизотропия свойств, т.е. различие свойств в зависимости от направления деформации при ковке или прокатке. Уменьшение анизотропии достигается металлургическими способами: уменьшением в стали сульфидов и других неметаллических включений, изменением условий горячей пластической деформации и др. Также эти стали чувствительны к флокенам, причем наиболее чувствительны к образованию флокенов доэвтектоидные легированные перлитные и перлито - мартенситные стали.

Хромистые стали (30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 35Х2АФ, 40Х2АФЕ) являются наименее легированными и обеспечивают прокаливаемость в больших сечениях, чем соответствующие углеродистые стали. Хром не оказывает сильного влияния на разупрочнение при отпуске, однако он увеличивает склонность стали к отпускной хрупкости. Поэтому изделия из этих сталей после высокого отпуска следует охлаждать в масле или воде, недопустимо охлаждение после отпуска с печью. С целью получения мелкого зерна аустенита в стали данной группы вводят ванадий, который находясь в карбидах, препятствует росту зерна, а при отпуске задерживает разупрочнение.

Значительные преимущества имеют хромистые стали, упрочненные нитридами: 35Х2АФ и 40Х2АФЕ. Эти стали имеют мелкое зерно, глубокую прокаливаемость, высокие механические свойства как после закалки и низкого отпуска, так и после улучшения. Такие свойства обусловлены легированием сталей азотом и нитридообразующими элементами – ванадием и алюминием. Для улучшения обрабатываемости резанием стали легируют селеном.

Марганцовистые стали (30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2) имеют большую прокаливаемость, чем хромистые. Однако марганец усиливает склонность зерна к росту, поэтому эти стали чувствительны к перегреву и могут иметь пониженную ударную вязкость, особенно при отрицательных температурах. Применяются при обработке ТВЧ и для изделий, несущих небольшие ударные нагрузки.

Хромомарганцевые стали (25ХГТ,30ХГТ, 40ХГТ, 35ХГФ и др.) обладают повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и соответственно прокаливаемостью. С целью получения мелкозернистой структуры в ряд сталей вводят небольшие добавки титана (0,03 – 0,09 %). Легирование ванадием также позволяет получить мелкозернистую структуру и повысить температуру отпуска на заданную твердость. Применяются для машиностроительных деталей ответственного назначения: валы, шатуны, шестеренки.

Хромокремнистые и хромокремнемарганцовистые стали (33ХС, 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА и др.) обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. В качестве термической обработки применяются закалка и низкий отпуск или улучшение. Недостатком таких сталей является относительно небольшая прокаливаемость, сильная склонность к отпускной хрупкости I и II рода, склонность к обезуглероживанию.

Хромомолибденовые стали (30ХМ, 35ХМ, 38ХМ, 30Х3МФ, 40ХМФА и др.), обладая хорошей прокаливаемостью, имеют высокий комплекс механических свойств и мало склонны к отпускной хрупкости благодаря молибдену. Их особенностью является способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Получение мелкого зерна в структуре сталей этой группы достигается за счет введения ванадия.

Хромомолибденовые стали применяются для изготовления наиболее ответственных изделий сечением до 80 – 100 мм: коленчатые валы, тяжелонагруженные оси, баллоны высокого давления и т.д.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали: 20ХН3А, 20Х2НЧА, 40ХН, 30ХН3А, 20ХН2М, 30ХН2М, 38Х2Н2МА, 40Х2МА, 38ХН3МА, 18Х2Н4МА и др. являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий (сечением 100 – 1000 мм).Уникальные свойства хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей достигаются вследствие их чрезвычайно высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости.

Высокая прокаливаемость сталей обусловлена сильным совместным влиянием хрома и никеля или хрома, никеля и молибдена на повышение устойчивости аустенита. Такие стали закаливают в больших сечениях, обеспечивая после закалки в масле получение мартенсита и нижнего бейнита в центре крупных изделий.

Высокая вязкость сталей обусловлена влиянием никеля на параметры, характеризующие склонность к хрупкому и вязкому разрушениям, также никель понижает порог хладноломкости улучшаемых легированных сталей.

Стали с 3 – 4 % Ni имеют наибольший температурный запас вязкости: 20ХН3А, 30ХН3А, 18Х2Н4МА, 38ХН3МА.

Недостатком хромоникелевых сталей является склонность к обратимой отпускной хрупкости. Молибден и вольфрам значительно ослабляют склонность к развитию отпускной хрупкости, поэтому хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали практически лишены этого недостатка.

Стали с пониженным содержанием никеля менее склонны к обратимой отпускной хрупкости. При рациональном легировании хромоникелевых сталей сохраняется достаточно высокая прокаливаемость, позволяющая использовать их для изделий больших сечений.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали иногда содержат ванадий (38ХН3МФА, 45ХН2МФА, 30Х2НМФА и др.), что обеспечивает их мелкозернистость и повышает устойчивость против отпуска.