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: σ_В = 1000 МПа, σ_0,2 = 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 (σ_В = 1000–1200 МПа, σ_{0, 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 σ_в = 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 (σ_В =1200–1900 МПа) и текучести (σ_0,2 = 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

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.