Цементуемые (нитроцементуемые) стали
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

К машиностроительным относят конструкционные стали, предназна- ченные для изготовления различных деталей машин, механизмов и от- дельных видов машин. Для деталей и изделий находят применение деше- вые углеродистые качественные стали, чаще всего для изделий неответст- венного назначения, и легированные стали для ответственных тяжелона- груженных деталей.

Для изготовления деталей, находящихся под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа, применяют стали с содержа- нием углерода 0,1–0,3%, подвергая их цементации, закалке и низкому от- пуску.

Твёрдость поверхности готовой детали должна составлять около

58–62 HRC, твёрдость сердцевины в пределах 20–40 HRC.

В зависимости от степени упрочняемости сердцевины различают три группы цементуемых сталей: с неупрочняемой, со слабо- и сильноупроч- няемой сердцевиной.

К первой группе относятся углеродистые стали марок 10, 15, 20, кото- рые применяют для изготовления малоответственных деталей небольших размеров. Под цементованным слоем при закалке аустенит превращается в феррито-цементитную смесь.

Вторую группу составляют низколегированные хромистые стали ма- рок 15Х, 20Х, имеющие слабоупрочняемую сердцевину. Дополнительное легирование малыми добавками ванадия (сталь 15ХФ) позволяет получить более мелкое зерно, что улучшает пластичность и вязкость стали.


Стали третьей группы используют для изготовления деталей, испыты- вающих значительные ударные нагрузки, имеющих большее сечение или сложную конфигурацию или подвергающихся действию больших знакопе- ременных напряжений. Эти стали легируют хромом, марганцем, молибде- ном, титаном, ванадием, никелем, алюминием. Названные элементы спо- собствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твёрдости, изно- состойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость серд- цевины и диффузионного слоя и снижает порог хладноломкости. Легирова- ние стали ванадием, титаном, алюминием, ниобием приводит к образова- нию дисперсных нитридов (VN, TiN и др.), карбидов (TiC, VC и др.), затор- маживающих рост зерна аустенита. Уменьшение зерна способствует сни- жению хрупкости и повышению ударной вязкости стали. К данной группе относятся стали марок 25ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4МА, 20ХГНР и др.


Улучшаемые стали

Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей машин применяют легированные стали, подвергаемые улучшению, т. е. закалке с высоким отпуском. Эти стали содержат 0,3–0,5% С, 1–6% легирующих элементов. Стали закаливают от 820–880 ºС в масле (крупные детали в во- де), высокий отпуск производят при 500–650 ºС с последующим охлажде- нием в воде, масле или на воздухе (в зависимости от состава стали). Структура стали после улучшения – сорбит зернистый. Наличие легирую- щих элементов обеспечивает этим сталям хорошую прокаливаемость и уменьшают склонность к отпускной хрупкости ІІ рода.

Улучшение обеспечивает высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью. Так, простая и дешевая конструкционная легированная сталь 40Х после закалки с 860 ºС и отпуска при 500 ºС имеет следующие свойства: σВ = 1000 МПа, σ0,2 = 800МПа, δ = 10%, KCU = 500 КДж/м2.

Для изготовления крупных изделий сложной формы, работающих при вибрационных и динамических нагрузках, применяются хромоникелевые стали марок 40ХН, 45ХН, 30ХН3А и др. Они содержат 0,5–0,8% хрома и 1–3% никеля. Отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вяз- костью.

Хромистые и хромоникелевые стали склонны к отпускной хрупкости ІІ рода (обратимой), поэтому должны охлаждаться после высокого отпуска с большой скоростью (в воде или масле). Дополнительное легирование молибденом 0,2–0,5% (или вольфрамом 0,5–0,8%) снижает склонность к отпускной хрупкости.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали (36Х2Н2МФА, 38ХН3МА и др.) являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий. Высокие свойства


этих сталей достигаются вследствие их высокой прокаливаемости и наи- большей вязкости (σВ = 1000–1200 МПа, σ0, 2 = 950–1100МПа, δ = 12%, KCU = 0,8 МДж/м2 ).

Из этих сталей изготавливают валы и роторы турбин, тяжелонагру- женные детали редукторов и компрессоров.


Износостойкие стали

К износостойким сталям относится сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда). Эта сталь имеет следующий химический состав: 1,25% углерода, 13% мар- ганца, 1% хрома, 1% никеля. Сталь Гадфильда при низкой начальной твёр- дости (1800–2200 НВ) успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших ди- намических (ударных) нагрузок. После литья структура стали состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца и железа (Fe, Mn)3С. Если в результате кристаллизации карбиды выделились по границам аустенитных зерен, то отливки закаливают в воде с температуры 1050 11000С, при этом образуется однофазная аустенитная структура. В таком состоянии сталь имеет высокую пластичность δ = 34–53%, ψ = 34–43%, низкую твёрдость 1800–2200 МПа и невысокую прочность σв = 830–654 МПа. У этой стали повышенная способность упрочняться в процессе холодной пластической деформации. Так, при пластической деформации, равной 70%, твёрдость стали возрастает с 2100 до 5300 НВ. Высокая износостойкость стали дос- тигается не только деформированным упрочнением аустенита, но и обра- зованием мартенсита с гексагональной решеткой.

Эти стали контролируются на содержание фосфора, при повышенном его содержании сталь 110Г13Л хладноломка, так как если фосфора в стали более 0,05% по границам зерна образуется хрупкая фосфидная эвтектика, на которой зарождается и растет хрупкая трещина при низких температу- рах. При использовании стали в северных районах содержание фосфора должно быть равно или менее 0,02–0,03%.

Высокая вязкость аустенита наряду с достаточной прочностью и изно- соустойчивостью делает сталь Гадфильда незаменимым материалом для деталей, работающих на износ и удар одновременно. Из этих сталей изго- тавливают траки гусеничных машин, щеки дробилок, зубья ковшей экска- ваторов и т. д.

Для изделий, подвергающихся износу в результате действия потока жидкости или газа, рекомендованы стали 30Х10Г10, 0Х14Г12М обладаю- щие высокой кавитационной стойкостью вследствие образования на по- верхности мартенсита деформации при гидравлических ударах.


Недостатком износостойких сталей является плохая обрабатываемость резанием, поэтому детали из них чаще всего изготавливают литьём без ме- ханической обработки.


Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Основными требова- ниями, предъявляемыми к данным сталям, являются высокое сопротивле- ние малым пластическим деформациям (высокий предел упругости) с со- хранением упругих свойств в течение длительного времени, а также необ- ходимой пластичности и сопротивление хрупкому разрушению.

Стали для пружин и рессор содержат 0,5–0,7% углерода. Их дополни- тельно легируют кремнием (до 2,8%), марганцем (до 1,2%), ванадием (до 0,25%), вольфрамом (до 1,2%) и никелем (до 1,7%). При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям.

Термическая обработка легированных пружинных сталей – закалка от 850–880 °С, отпуск при 380–550 ºС – обеспечивает получение высоких пределов прочности (σВ =1200–1900 МПа) и текучести (σ0,2 = 1100–1700 МПа) при пластичности δ = 5–12%.

Структура после термообработки – троостит.

Рессорно-пружинные стали должны обладать хорошей закаливаемо- стью и прокаливаемостью по всему сечению. Существенное (до двух раз) повышение предела выносливости рессор достигается их поверхностным наклёпом посредством дробеструйной и гидроабразивной обработок. По- сле таких обработок в поверхностных слоях создаются остаточные сжи- мающие напряжения, что увеличивает выносливость.

Наиболее часто в автомобилестроении применяют кремнистые и кремнемарганцевые стали 60С2А, 65Г, 60СГА, которые при работе разо- греваются до температур менее 200 °С. При нагреве до 300 °С используют пружины из стали 50ХФА, а при более высоких температурах сталь марки 3Х2В8Ф.

Для работы в агрессивных средах пружины изготавливают из хроми- стых коррозионностойких сталей типа 40Х13, 95Х18 и др.

Подшипниковые стали

В процессе работы детали подшипников (шарики, ролики, обоймы) испытывают высокие удельные знакопеременные нагрузки.

Стали для подшипников должны обладать высокой твёрдостью и из- носостойкостью в сочетании с высоким пределом контактной усталости. К сталям предъявляют требования по минимальному содержанию неметал-


лических включений, развитию карбидной неоднородности и пористости. Эти дефекты, находясь в поверхностном слое, становятся концентратора- ми напряжений и вызывают преждевременное усталостное разрушение. Долговечность сферических подшипников в значительной мере определя- ется отклонением от сферической формы, приводящим к биению. Эти от- клонения тщательно контролируются.

Подшипниковые стали маркируют буквами Ш и Х, что означает ша- рикоподшипниковая и хромистая. Цифра после буквы показывает содер- жание хрома в десятых долях процента. Подшипники общего назначения изготавливают из сталей ШХ15, ШХ15СГ. Они проходят термообработку

– закалку при 820–850 °С, охлаждение в масле. Перед отпуском детали ох- лаждают до 20–25 °С для обеспечения стабильности их работы (за счёт уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск проводят при 150–170 °С в течение одного–двух часов. После такой обработки структу- ра стали состоит из мартенсита и мелких включений карбидов хрома и имеет твёрдость 60–64 HRC.

Подшипники, работающие в условиях агрессивных сред, изготавли- ваются из коррозионностойкой высокохромистой стали 95Х18–Ш, в кото- рой содержится 0,95% углерода и 18% хрома.

Для изготовления высокоскоростных подшипников применяют стали после электрошлакового переплава (к марке таких сталей добавляют букву Ш, например ШХ15–Ш), отличающиеся наибольшей однородностью строения. Эти стали необходимы для изготовления высокоточных прибор- ных подшипников, детали которых тщательно полируют с тем, чтобы обеспечить минимальный коэффициент трения.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой.


Автоматные стали

Обработка резанием – основной способ изготовления большинства де- талей машин и приборов. Обрабатываемость стали зависит от ее механиче- ских свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического состава.

Повышение обрабатываемости резанием достигается технологически- ми и металлургическими приемами. Более эффективны металлургические приемы. Они предусматривают введение в конструкционную сталь серы, селена, теллура, кальция, изменяющих состав и количество неметалличе- ских включений; свинца, создающего собственные металлические вклю- чения; фосфора, изменяющего свойства металлической основы.

Эти включения создают в очаге резания внутреннюю смазку – тон- чайший слой, препятствующий схватыванию материала инструмента с ма-


териалом обрабатываемой детали, вследствие чего легче отделяется струж- ка. Легирование стали 0,15–0,3% Рb повышает скорость резания на 20–35%. Сера в количестве 0,08–0,3 % находится в воде сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают смазывающее

действие, нарушая при этом сплошность металла.

Фосфор в количестве 0,06% повышает хрупкость феррита, облегчая отделение стружки металла во время процесса резания.

Таблица 11.1.

Химический состав и механические свойства автоматных сталей

 

 

Марка

стали

Содержание основных элементов, %

С

S

P

Pb

Se другие
А12 0,12

0,08–0,20

0,08 –

0,15

0,7–1,0 Mn
А40Г 0,40

0,18–0,30

≤0,05

  1,2–1,55 Mn
АС40   0,40

 

≤0,04

 

≤0,04

0,15

– 0,30

    –
А35Е 0,35

0,06–0,12

≤0,046

0,04

– 0,10

А40ХЕ 0,40

0,06–0,12

≤0,035

0,8 – 1,1 Cr
АС12ХН 0,12

 

≤0,035

 

≤0,035

0,15

– 0,30

0,4–0,7 Сr; 0,5–0,8 Ni
АС30ХМ 0,30 0,8–1,1 Сr; 0,15–0,25 Mo

Марка

стали

σ0,2

σВ

δ

ψ

КCU

МДж/м2

МПа

%

А12

420

22

34

А40Г

600

14

20

АС40

340

580

19

А35Е

320

540

20

А40ХЕ

800

1000

10

45

0,6
АС12ХН

450

650

10

0,9
АС30ХМ

750

900

12

0,10
                   

Оба элемента способствуют уменьшению налипания стружки на ре- жущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой по- верхности. Однако повышенное содержание этих элементов ухудшают ме- ханические свойства, поэтому такие стали используют для изготовления изделий неответственного назначения.

Стали с повышенным содержанием серы и фосфора относятся к груп- пе автоматных сталей и маркируются буквой А и цифрами, показываю-


щими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если авто- матная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с со- четания букв «АС». Буква Е в марке стали говорит о том, что в состав вхо- дит селен.

Химический состав и механические свойства некоторых автоматных сталей приведены в таблице 11.1.

Применение автоматных сталей обеспечивает снижение сил резания на 20–25%, уменьшение износа инструмента в два–десять раз, повышение скорости резания на 20–40% при сохранении стойкости инструмента.





Дата: 2018-12-21, просмотров: 377.