Конструкциялық материалдар және термоөңдеу Конструкционные материалы и термообработка Constructional materials and heat treatment Учебное пособие для специальности: 5В071200– «Машиностроение»

114 
-легированная конструкционная., 
-легированная инструментальная., 
-стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами. 
Легирование конструкционной стали производят с целью повышения
ее прочностных свойств. Поскольку наибольшее повышение прочности
легированной стали может быть достигнуто только вследствие
термической обработки, то второй задачей легирования стали является
обеспечение закалки в больших сечениях, т.е. повышение
прокаливаемости стали. 
Легированные 
инструментальные стали, кроме лучшей
термообрабатываемости, отличаются повышенной износостойкостью и
теплостойкостью. 
При введении значительного количества легирующих элементов
сталь приобретает новые свойства: большую коррозионную стойкость, 
жаропрочность, немагнитность или же, наоборот, приобретает очень
большую коэрцитивную силу и т.п. 
Влияние легирующих элементов. 
Высокая конструкционная прочность стали обеспечивается
рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное
легирование (за исключением никеля) после достижения необходимой
прокаливаемости приводит к снижению вязкости и способствует
хрупкому разрушению стали. 
Хром в количестве до 2% оказывает благоприятное влияние на
механические свойства конструкционной стали. 
Никель- наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в
количестве от 1 до 5%. 
Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он заметно повышает предел
текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. 
Кремний значительно повышает предел текучести стали и при
содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог
хладноломкости. 
Молибден и вольфрам в количестве 0,2-0,4% и 0,8-1,2%
соответственно, в комплексно-легированных сталях способствуют
измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и ухудшают
некоторые другие свойства. 
Ванадий и титан вводят в небольшом количестве (до 0,3%
вольфрама и 0,1% титана) в стали, содержащие хром, марганец, никель, 
для измельчения зерна. 
Повышенное содержание ванадия, молибдена и вольфрама в
конструкционных сталях не допустимо из-за образования
труднорастворимых при нагреве карбидов этих элементов. Избыточные

115 
карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому
разрушению и снижают прокаливаемость стали. 
Бор вводят для увеличения прокаливаемости и в очень небольших
количествах (0,002-0,005%). 
Рис. 6.1. Диаграмма состояния железа с легирующими элементами: а- с 
никелем, б- с хромом. 
Маркировка легированных сталей. 
Число, стоящее в начале маркировки, обозначает среднее содержание
углерода. Если сталь конструкционная, то число это будет двузначным
и укажет содержание углерода в сотых долях процента. Буквы
указывают, какие легирующие элементы присутствуют в стали данной
марки, а цифры, стоящие после букв- их количество в процентах. Если
цифра отсутствует, то легирующий элемент содержится в количестве
до 1%. Так, например, сталь 12ХН2 содержит 0,12% С, до 1% хрома, 
2% никеля. 
Буква А ставится в конце маркировки для обозначения
высококачественных сталей, содержащих пониженное количество
вредных примесей. 
Инструментальные стали. 
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего
и измерительного инструмента. К этой группе сталей относят
легированные стали с высокими твердостью и износостойкостью. 
Основными критериями выбора стали для изготовления режущего
инструмента являются ее износо- и теплостойкость, а также стали
должны обладать твердостью, превышающей твердость
обрабатываемого материала, и высокой прочностью в сочетании с
достаточной вязкостью. 

116 
Низколегированные стали с небольшой прокаливаемостью применяют
для изготовления инструмента, работающего при температурах до 200-
260ºС. Эти стали, для получения эксплуатационных характеристик, 
подвергают неполной закалке и низкому отпуску. Закалку производят
в масле или горячих средах. 
Сталь марки 7ХФ применяется при изготовлении инструмента, 
работающего с ударными нагрузками- зубила, пуансоны, стамески, 
долота. 
Сталь марки ХВ4 отличается особой твердостью и износостойкостью
и используется при изготовлении инструмента для чистовой обработки
металлов (развертки, шаберы, гравировальные резцы, пилы по металлу). 
При изготовлении высокопроизводительного инструмента, 
предназначенного для работы с высокими скоростями резания, 
применяются быстрорежущие стали. Главным достоинством этих
сталей является высокая теплостойкость, которая обеспечивается
введением значительного количества карбидообразующих элементов: 
вольфрама, молибдена, ванадия и кобальта. 
Быстрорежущие стали подвергают термической обработке
специальных видов. Для улучшения обрабатываемости резанием после
ковки быстрорежущую сталь отжигают при 800-860ºС. Требуемую
теплостойкость быстрорежущие стали приобретают после закалки и
многократного отпуска. Отличительной особенностью закалки этих
сталей является медленный нагрев и прогревание при 480-850ºС в
средах, предотвращающих их окисление и обезуглероживание. Для
сокращения числа операций отпуска после закалки стали ее
обрабатывают холодом (-80ºС). 
Для повышения износостойкости инструмент из быстрорежущих
сталей подвергают цианированию. 
По режущим свойствам быстрорежущие стали разделяют на: 
-нормальной производительности (вольфрамовые Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 и
вольфраммолибденовые Р6М3, Р6М5), с теплостойкостью инструмента
до 620ºС., 
-повышенной производительности, имеющие в своем составе кобальт, 
или с повышенным содержанием ванадия (марок Р18Ф2, Р14Ф4, 
Р18К5Ф2, РУМ4К8), с теплостойкостью инструмента до 640ºС. 
Инструмент из быстрорежущих сталей применяют преимущественно
для резания высокопрочных и труднообрабатываемых материалов. 
Стали для измерительного инструмента обладают высокой
износостойкостью и свойством сохранять стабильные размеры и
форму изделий в течение длительного времени. 
Высокоуглеродистые хромистые стали марок Х, ХВГ, ХГ, 9ХС, 12Х
нашли самое широкое применение для изготовления измерительного
инструмента, закаливаемого до твердости 57-60 НRС. 

117 
сокращения числа операций отпуска после закалки стали ее
обрабатывают холодом (-80ºС). 
Рис.6.2. Схема термической обработки быстрорежущих
сталей. 
Стали марок 15Х, 20Х, 12ХН3А используют при изготовлении
плоских и длинномерных измерительных инструментов. Закалку
поверхностного слоя производят, как правило, токами высокой частоты 
(ТВЧ), что позволяет обеспечить высокую износостойкость
поверхностного слоя инструментов при сохранении стабильности их
размеров. 
Строительные низколегированные стали. 
Строительные низколегированные стали с повышенным содержанием
марганца и кремния после горячей прокатки или термической
обработки используют для изготовления сварных и клепаных
конструкций строительных ферм, конструкций мостов, рам и т.п. 
Марганцовистую сталь марок 19Г и 14Г применяют для изготовления
магистральных нефтепроводов, стали 35ХС, 25Г2С- для производства
арматуры обычных и предварительно напряженных железобетонных
конструкций. 
Низколегированные стали после прокатки значительно превосходят
по техническим свойствам углеродистые стали. Оптимальное сочетание
их свойств достигается при введении нескольких легирующих
элементов. Конструкции, эксплуатируемые при низких температурах
окружающей среды, выполняют из сталей, легированных никелем. 
Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо свариваются. 
Свойства сварных швов и прилегающих к ним участков близки к
свойствам основного металла. Стали, используемые для сварных
конструкций, содержат алюминий или титан, предотвращающие
укрупнение зерна металла в околошовной зоне. Легирование медью, 

118 
никелем, хромом, фосфором способствует увеличению коррозионной
стойкости сталей в газовоздушных и влажных средах. 
Машиностроительные цементуемые легированные стали. 
Стали этой группы содержат 0,1-0,3% углерода и 0,2-4,4%
легирующих элементов. 
Эксплуатационные свойства изделий из низко- и среднелегированных
сталей определяются сочетанием свойств поверхностного слоя и
сердцевины. Прочностные свойства слоя на рабочей поверхности
изделий главным образом обусловлены содержанием в нем углерода. 
По механическим свойствам после термообработки (цементации) стали
этой группы подразделяют на среднепрочные (Gт≤700 Мпа) и стали
повышенной прочности (Gт>700 МПа). 
Цементуемые легированные стали применяют для изготовления
нагруженных деталей, испытывающих знакопеременные и ударные
нагрузки (зубчатых колес, валов, кулачков и т.п.). Характерные
представители этой группы- стали 15ХФ, 15Х, 20Х- отличаются средней
прочностью. После закалки в масле сердцевина деталей из таких
сталей упрочняется, но поверхностный слой чувствителен к надрезам. 
Применяют их для изготовления небольших деталей, эксплуатируемых
при средних нагрузках. 
К сталям повышенной прочности относят комплексно легированные
и экономно легированные. Стали 12ХН3А, 20ХН3А, 20ХН4А
применяют для изготовления деталей средних и больших размеров, 
работающих в условиях интенсивного изнашивания при повышенных
нагрузках (зубчатых колес, поршневых пальцев, осей и др.). 
Особо ответственные детали- зубчатые колеса авиационных
двигателей, судовых редукторов- изготовляют из сталей 18Х2Н4МА, 
18Х2Н4ВА, которые мало разупрочняются при отпуске. 
Экономно легированными сталями 18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГТ можно
заменить хромоникелевые. Главным их преимуществом является
наследственная мелкозернистость, что позволяет сократить
технологический цикл обработки деталей. Такие стали применяют для
изготовления ответственных деталей крупносерийного и массового
производства. 
Машиностроительные улучшаемые стали. 
Используются преимущественно после термической операции- 
улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500-600ºС). 
Улучшаемые легированные стали характеризуются содержанием
углерода 0,3-0,5% и легирующих элементов не более 5%. Основное их
назначение- изготовление ответственных деталей машин, 
эксплуатируемых при воздействии циклических и ударных нагрузок. 
Поэтому они должны обладать высоким пределом текучести, низкой

119 
чувствительностью к концентрации напряжений, достаточными
вязкостью и пластичностью. Требуемый комплекс служебных
характеристик сталей обеспечивается их улучшением, наличием
сквозной прокаливаемости, мелкозернистой структуры и недопущением
отпускной хрупкости. 
Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х применяют для изготовления
средненагруженных деталей машин и механизмов, технологической
оснастки. 
Хромокремнемарганцевые стали (хромансили) марок 30ХГСА, 35ХГСА
отличаются сочетанием хороших механических и технологических
свойств. Хорошо свариваются и штампуются. 
Мартенситостареющие высокопрочные стали. 
К этой группе относятся комплексно легированные
среднеуглеродистые стали после низкого отпуска и термомеханической
обработки, а также мартенситостареющие стали. 
Широкое применение получили среднеуглеродистые стали, 
упрочняемые закалкой и низким отпуском, имеющие структуру
отпущенного мартенсита. Прочность таких сталей определяется
содержанием в них углерода и практически не зависит от
легирующих элементов, которые вводят для улучшения
прокаливаемости стали, устойчивости ее после отпуска. Легирование
никелем в сочетании с другими элементами снижает чувствительность
деталей из этих сталей к надрезам. 
Мартенситостареющие стали- безуглеродные (не более 0,3% С) сплавы
железа с никелем, легированные кобальтом, молибденом, титаном, 
алюминием, хромом. Стали этой группы являются перспективными
конструкционными материалами. Высокие механические свойства этих
сталей достигаются за счет старения мартенсита, легирования твердого
раствора и закалки на воздухе при температурах 800-860ºС. 
Мартенситостареющие стали сохраняют высокие механические
характеристики при низких температурах вплоть до температур
сжиженных газов. Такие стали и теплоустойчивы до 500-700ºС. 
Достоинством сталей данного класса является высокая
технологичность их переработки. Они имеют практически
неограниченную прокаливаемость, хорошо свариваются, легко
обрабатываются давлением, резанием даже в закаленном состоянии. 
 
Пружинные стали. 
Стали с высокими пределами упругости и выносливости, 
сочетающимися с достаточной их пластичностью и вязкостью, 
применяют для изготовления упругих элементов общего назначения- 
пружин, рессор, амортизаторов и т.п. 

120 
Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств в стали
вводят не менее 0,5% углерода, их подвергают закалке и отпуску на
троостит. 
Упругие элементы простой формы изготовляют из термически
обработанных сталей. Крупные пружины получают навивкой
отожженной проволоки. 
Рессорно-пружинные стали относят к классу перлитных. Основными
легирующими элементами таких сталей являются кремний, марганец, 
хром, ванадий, никель. 
Кремнистые стали 50С2, 55С2, 60С2 имеют высокий предел
текучести и используются для изготовления рессор автомобилей, 
пружин и др. 
Поверхностные дефекты изделий из таких сталей резко снижают
долговечность пружин и рессор. Поэтому срок их службы повышают
поверхностным наклепом. 
Износостойкие конструкционные стали. 
Обладают высоким сопротивлением изнашиванию, для чего вводят
легирующие добавки или применяют специальные методы обработки в
зависимости от условий эксплуатации. 
Шарикоподшипниковые стали по составу и структуре относят к
классу инструментальных. Содержание углерода в них- около 1%. Для
увеличения прокаливаемости в состав стали вводят легирующие
элементы (Сr, Si, Мn), содержание которых зависит от размеров
деталей. Например, сталь марки ШХ6 применяют для деталей с
максимальным размером до 10мм, а ШХ15ГС- свыше 30мм. 
Высокомарганцовистая сталь марки Г13Л применяется для деталей, 
эксплуатируемых при воздействии ударных нагрузок, вызывающих их
поверхностный наклеп. Износостойкость этой стали после наклепа
повышается. Сталь Г13Л плохо обрабатывается резанием, поэтому
изделия из нее получают ковкой или литьем. Применяют сталь Г13Л
для изготовления дробильно-размольного оборудования., деталей
экскаваторов, гусеничных тракторов. 
Графитизированная сталь применяется для изготовления деталей, 
эксплуатируемых в условиях трения, скольжения. Эту сталь получают
из высокоуглеродистой стали (1,5-2% С) с повышенным содержанием
кремния, который способствует графитизации. 
Коррозионностойкие стали. 
К коррозионностойким относят металлические материалы, не
разрушающиеся под воздействием коррозионных сред. 
Коррозионностойкие стали подразделяют на два основных класса: 
хромистые и хромоникелевые. 

121 
Хромистые стали обладают высокой коррозионной стойкостью, 
которая повышается после термической обработки и придания
высокой чистоты поверхности изделий (шлифованием, полированием). 
Стали марки 3Х13, 4Х13 используют для изготовления
хирургических инструментов., Х17, Х25Т- оборудования химических
заводов., Х25Т, Х28- деталей, эксплуатируемых в высокоагрессивных
средах. 
Хромоникелевые стали, легированные хромом и никелем, обладают
более высокой устойчивостью к коррозии по сравнению с
хромистыми. Стали этого класса технологичны при обработке
давлением, хорошо свариваются, однако имеют низкие показатели
литейных свойств и обрабатываемости резанием. 
При нарушении режимов термической обработки, а также при
эксплуатации деталей при повышенных температурах (400-800ºС) 
коррозионная стойкость хромоникелевых сталей резко снижается. Для
устранения этого недостатка стали дополнительно легируют титаном и
ниобием. 
Жаростойкие стали. 
Жаростойкие стали сопротивляются окислению (образованию
окалины) при высокой температуре. Свойство жаростойкости стали
придает хром. Для повышения жаростойкости хромистых сталей в них
вводят алюминий и кремний. 
Наиболее распространены жаростойкие стали, содержащие: 
-хром и никель (сильхромы)., 
-хром и алюминий (хромали)., 
-хром, кремний и алюминий (сильхромали). 
Типичные представители жаростойких сталей- 40Х9С2, 10Х13СЮ. Из
этих сталей изготовляют, например, клапаны двигателей внутреннего
сгорания. 

жүктеу/скачать 1,99 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: