Легированные конструкционные стали

Конструкционные легированные стали в свою очередь делятся на стали повышенной обрабатываемости резанием, стали низколегированные, цементуемые (нитроцементуемые) и стали улучшаемые.

Легированные конструкционные стали повышенной обрабатываемости резанием (автоматные стали). Широкое распространение получили легкообрабатываемые легированные стали, содержащие свинец и кальций (Ц – кальций), что обеспечивает образование короткой и ломаной стружки, получение гладкой блестящей поверхности при резании (АС12ХН, АЦ20ХГНМ, АСЦ30ХМ и др.).

Низколегированные конструкционные стали содержат не более 0, 22 % углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов марок 14Г2, 18Г2С, 10ГТ.

Для отливки деталей рам тележек вагонов и корпусов автосцепок используют сталь марки 20ГФЛ. Эти стали обладают хорошими технологическими свойствами, достаточно высокой прочностью (в 1, 5 – 2 раза выше, чем у углеродистой стали), хорошей свариваемостью, более высокой стойкостью к коррозии. Применение низколегированных сталей вместо углеродистых позволяет экономить 20 – 30 % металла. Стоимость большинства марок низколегированной стали всего на 10 – 15 % выше углеродистой.

Легированные конструкционные цементуемые стали – это низколегированные стали (не более 0, 3 % углерода), они обязательно подвергаются химико-термической обработке (цементации, нитроцементации, борированию и т. п.). Применяются для изготовления деталей, требующих высокой поверхностной твердости и прочной вязкой сердцевины. После закалки и отпуска поверхностный слой должен иметь твердость не ниже HRC58 – 62.

Хромоникелевые 12ХН3А, 20Х2Н4А, хромомарганцетитановые 18ХГТ, 25ХГТ, хромоникельмолибденовые 18Х2Н4МА стали применяются для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при ударных и знакопеременных нагрузках. В частности, из сталей марок 12ХН3А и 20ХН3А делают шестерни зубчатой передачи колесомоторного блока локомотивов и электропоездов.

Легированные конструкционные улучшаемые стали общего назначения – среднеуглеродистые, содержат 0, 3 – 0, 5 % углерода и подвергаются закалке и высокому отпуску (улучшению); они должны иметь высокую прочность при достаточной пластичности, малую чувствительность к концентраторам напряжения, высокий предел выносливости и хорошую прокаливаемость.

Хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют для изготовления средненагруженных деталей: зубчатых колес, валов, рычагов, ответственных болтов и гаек. Стали марок 30ХР, 40ХРА, 33ХС, 38ХСА имеют повышенную прочность, хорошую прокаливаемость.

Хромокремнемарганцевые стали марок 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХГСА, называемые «хромансиль», не содержат дефицитных легирующих элементов, но имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются и часто являются заменителями более дорогих хромоникелевых и хромомолибденовых сталей.

Хромоникелевые стали марок 30ХН3А, 40ХН, 45ХН после термической обработки имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам, прокаливаются на значительно большую глубину по сравнению с другими легированными сталями. Из этих сталей изготавливают венцы тяговых зубчатых передач локомотивов с применением улучшения и поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ).

Группа рессорно-пружинных сталей. Основным требованием, предъявляемым к рессорно-пружинным сталям, является высокий предел упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют стали, легированные кремнием, марганцем, хромом, ванадием, вольфрамом.

Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение закалки и среднего отпуска при температуре 400 – 500°С (в зависимости от стали). Это необходимо для получения структуры троостита отпуска (с твердостью HRC42 – 48), обеспечивающего наиболее высокий предел упругости.

Для изготовления пружин вагонов, некоторых автомобильных рессор, в станкостроении, для торсионных валов наиболее часто применяют кремнистые стали марок 55С2, 60С2, 70С3А, которые имеют высокий предел текучести и упругости.

Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, марганцем, вольфрамом и никелем увеличивает их прочность, прокаливаемость, уменьшает склонность к обезуглероживанию. Стали марок 60С2ХФА и 60С2Н2А применяют при изготовлении крупных высоконагруженных пружин и рессор.

Шарикоподшипниковые стали маркируются буквой «Ш». Основной маркой шарикоподшипниковой стали является ШХ15, химический состав которой – 0, 95 – 1, 05 % углерода и 1, 3 – 1, 65 – хрома. После закалки (840 – 860°С) и отпуска (150 – 170°С) твердость достигает HRC62 – 65. Для изготовления более крупных подшипников используется хромомарганцевокремнистая сталь марки ШХ15СГ (0, 4 – 0, 65 % кремния, 0, 9 – 1, 2 – марганца).

Крупные подшипники диаметром более 500 мм, работающие при высоких динамических нагрузках, изготавливают из цементуемых сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с более сложной термической обработкой после цементации.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали. Основным легирующим элементом всех марок нержавеющих сталей является хром. От коррозии сталь предохраняет прочная тонкая плотная пленка окислов хрома Cr₂О₃, которая образуется на поверхности деталей. Хрома должно быть не менее 12 – 13 %, в противном случае пленка не будет сплошной. Наибольшее распространение имеют хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали.

Хромистые нержавеющие стали типа Х13 содержат углерода 0, 1 – 0, 4 %. Наиболее распространенные и дешевые – 08Х13, 12Х13, 20Х13, они хорошо штампуются, свариваются и используются в химическом производстве, для медицинского оборудования, в пищевой промышленности и в быту. Стали марок 30Х13, 40Х13 после закалки и отпуска имеют твердость HRC50 – 56 и используются в основном как инструментальные для измерительного и хирургического инструмента.

Хромоникелевые нержавеющие стали различных химических составов и марок типа 12Х18Н9 содержат большое количество хрома и никеля. Никель обеспечивает получение аустенитной структуры после закалки стали в воде. При этом достигается более высокая коррозионная стойкость, лучшие механические и технологические свойства.

Хромоникелевые нержавеющие стали широко применяют в химической, нефтяной промышленности, в транспортном машиностроении и строительстве; из них «катают» толстостенные бесшовные трубы. Для экономии дорогостоящего никеля его иногда заменяют марганцем, который также способствует образованию аустенитной структуры. Например, сталь 10Х14Г14Н3 рекомендуется как заменитель стали 12Х18Н9.