Износостойкость различных групп сталей

Большое число деталей машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности при работе подвергаются действию различных видов изнашивания. Износу при трении скольжения со смазкой, часто осложняемому попаданием абразивных частиц грунта, подвергаются вращающиеся детали буровых механизмов, валы насосов, шестерни и др. Износ в газовом или жидкостном потоке, содержащем абразив, отмечается у элементов фонтанной и различной запорной арматуры, фиттингов, у печных змеевиков нсфтс-и газоперерабатывающих заводов, где абразивными являются частицы кокса и катализаторов. Активному абразивному изнашиванию подвергаются буровой инструмент и элементы буровой техники, рабочие органы строительных машин, используемых при прокладке магистральных и промысловых трубопроводов.

Разрушение при изнашивании различных элементов оборудования является одной из основных причин преждевременных отказов, приводящих к нарушению ритма работы, добычи, транспорта и переработки нефти и газа. В связи с этим на первый план при выборе стали для создания таких узлов и деталей выходят требования по обеспечению наряду с конструктивной прочностью и высокого уровня износостойкости.

В настоящем разделе приводятся сведения по химическому составу, механическим свойствам и износостойкости различных групп сталей, а также краткая информация о технологических способах повышения стойкости к воздействию разнообразных изнашивающих нагрузок. Сочетание разнообразных эксплуатационных факторов определяет широкий перечень классов и марок применяемых сталей.

Общими характеристиками, определяющими класс стали, являются химический состав, качество металла и назначение.

Химический состав стали регламентируют по содержанию углерода и суммарной концентрации легирующих элементов (кроме углерода).

По содержанию углерода различают стали:

  • — низкоуглсродистыс (от 0,025 до 0,25 % С);
  • — срсднсуглсродистыс (от 0,25 до 0,55 %);
  • — высокоуглеродистые (свыше 0,55 %).

В углеродистой стали отсутствуют специально введенные легирующие элементы и механические свойства зависят главным образом от содержания углерода. С ростом его концентрации повышаются прочностные свойства стали, но одновременно снижаются пластические свойства и вязкость.

Формирование широкого комплекса механических, физических и химических свойств сталей, используемых в настоящее время промышленностью, становится возможным благодаря легированию стали различными элементами, изменяющими ее структуру и свойства.

По суммарному содержанию легирующих элементов различают стали:

  • — низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов);
  • — срсднслсгированныс (от 2,5 до 10 % легирующих элементов);
  • — высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов).

В основе классификации сталей по качеству лежат наличие и содержание в них вредных примесей, к которым относятся сера и фосфор, а также присутствие кислорода. Сера вызывает в сталях явление красноломкости— повышенной хрупкости при горячей обработке. Выделяясь в сталях в виде сульфида железа (FcS), сера образует легкоплавкую эвтектику, располагающуюся по границам зерен. Фосфор растворяется в феррите, упрочняет его, одновременно уменьшая ударную вязкость по мере понижения температуры. Каждые 0,01 % фосфора повышают критическую температуру хрупкости (Т50) на 25°C.

По предельно допустимому содержанию вредных примесей различают стали:

  • — обыкновенного качества;
  • — качественные;
  • — высококачественные;
  • — особо высококачественные.

Стали обыкновенного качества характеризуются повышенным содержанием серы и фосфора (сера — пе более 0,05%, фосфор — ие более 0,04 %), что приводит к резкому снижению механических свойств и ограничению области их применения, особенно при низких температурах. В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик качества углеродистые стали обыкновенного качества, согласно ГОСТ 380, разделяются на три группы.

Группа А — сталь поставляется по механическим свойствам и может иметь значительные отклонения по химическому составу. Химический состав этих сталей не регламентируется, так как изготовленные из них детали не подвергаются термической обработке.

Группа Б — сталь поставляется по химическому составу. Стали этой группы в дальнейшем подвергаются различной термообработке для создания нужного комплекса механических свойств.

Группа В — сталь поставляется с гарантированными требованиями и по химическому составу, и по механическим свойствам. Для сталей этой группы механические свойства должны соответствовать нормам аналогичных сталей группы А, а химический состав — нормам для сталей аналогичных марок группы Б. Для сварных конструкций нефтегазового комплекса используются стали именно группы В.

В качественных сталях содержание вредных примесей значительно ниже (сера и фосфор — не более 0,035% каждый). Они менее загрязнены неметаллическими включениями, содержат меньшее количество растворенных газов. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного качества, особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляются по химическому составу и механическим свойствам.

Высококачественные стали характеризуются еще более низким содержанием серы и фосфора (не более 0,025 % каждый), что значительно увеличивает их стоимость. Углеродистые стали редко выплавляют высококачественными.

Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,025% фосфора и не более 0,015% серы. К ним предъявляются повышенные требования и по другим примесям.

Для удаления кислорода в углеродистую сталь вводят элементы-раскислители — марганец и кремний, которые для этой группы сталей являются технологическими примесями. В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойные (Si — 0,15—0,35%), полуспокой-ные (Si — 0,05—0,15%) и кипящие (Si с 0,05%). Все эти стали при одинаковом содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное различие по степени раскисления сказывается на их пластичности, которая обусловлена содержанием кремния и повышается с ростом его количества. Легированные стали выплавляют только спокойными.

По назначению различают стали:

  • — конструкционные;
  • — инструментальные;
  • — стали с особыми свойствами.

Конструкционные стали—углеродистые и легированные — являются основным материалом для сооружения конструкций нефтегазового комплекса. Их основное назначение определяется комплексом механических свойств, формируемым как системой легирования, так и термической обработкой, если она применяется. Повышение износостойкости этой группы сталей достигается за счет использования широкого перечня технологий поверхностного упрочнения участков, подвергающихся наиболее интенсивному износу.

Инструментальные стали — углеродистые, легированные и быстрорежущие— применяются для изготовления режущих инструментов, измерительных инструментов и штампов. Основные характеристики этой группы сталей — высокая твердость и износостойкость. Для сталей, применяемых при высоких скоростях скольжения, большое значение наряду с твердостью приобретает способность сохранять прочностные свойства при высоких температурах.

Легированные стали с особыми свойствами предназначены для обеспечения коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности и теплоустойчивости.

Коррозионно-стойкие стали обладают стойкостью против электрохимической коррозии. Стали этой группы предназначены для эксплуатации в коррозионно-агрессивных средах. Коррозионная стойкость таких сталей оценивается по скорости коррозии, которая определяется либо по удельной потере массы в единицу времени [мг/(м2> с)], либо по уменьшению размера детали за определенный период времени (мкм/год).

Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью к образованию окислов (окалины) на поверхности деталей при работе в газовых средах при температурах выше 550°С. Жаростойкость принято характеризовать температурой начала интенсивного окалинообразования в воздушной среде.

Теплоустойчивые и жаропрочные стали способны сохранять механические свойства при длительном нагреве в интервале температур 500—600 и 600—750°C соответственно. Критериями оценки теплоустойчивых и жаропрочных свойств являются длительная прочность и сопротивление ползучести. Длительная прочность — это показатель прочности, полученный путем длительного нагружения образцов при соответствующей высокой температуре. Сопротивление ползучести характеризует величину деформации металла (в %), возникающую при нагружении в течение определенного времени при соответствующей температуре испытания. Обычные конструкционные углеродистые и низколегированные стали относительно хорошо сохраняют прочностные свойства до температур не выше 350—400 °C.

Маркировка сталей основана на буквенно-цифровой системе и регламентируется рядом стандартов, разработанных для различных групп сталей. Основной характеристикой стали, отражаемой при ее маркировке, является химический состав. Помимо этого по марке стали можно определить ее назначение, способ выплавки и раскисления, а также параметры качества.

Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380) производится по самой простой и дешевой металлургической технологии и поэтому имеет наиболее низкую стоимость. Она не содержит других легирующих элементов, кроме углерода.

Стали этой группы имеют повышенное по сравнению с другими группами сталей содержание вредных примесей (серы и фосфора), что ухудшает их вязкость и тсмпсратуростойкость, поэтому их нс используют для изготовления деталей и узлов, испытывающих значительные нагрузки, в том числе и изнашивающие.

Маркируются они буквами «ст» и цифрами от 1 до 6, определяющими содержание углерода в стали в десятых долях процента. Согласно ГОСТ 380 в зависимости от назначения и гарантированных качественных характеристик стали этого класса подразделяются на три группы: А, Б и В. Буквы Б и В используются перед обозначением сталей и определяют группу качества либо по химическому составу, либо по механическим свойствам и химическому составу соответственно. Группа А при маркировке не указывается. В зависимости от нормируемых показателей качества сталь каждой группы подразделяется на категории, определяющие прочностные характеристики и ударную вязкость, которые повышаются с увеличением номера категории (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Нормируемые характеристики качества сталей разных категорий

Нормируемая характеристика

Категория

1

2

3

4

5

6

Химический состав

+

+

+

+

+

4-

Механические свойства при растяжении и изгиб в холодном состоянии

+

+

+

+

+

Ударная вязкость при —20 С

+

Ударная вязкость после механического старения

+

Ударная вязкость при —20 С

+

Ударная вязкость при —40 С

+

Номер категории указывается в конце маркировки и имеет значения от 1 до 6. Отсутствие номера означает, что эта сталь первой категории. Группа А имеет категории 1, 2 и 3, группа Б — 1 и 2, группа В — 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Если сталь имеет толщину менее 4 мм, она на категории нс подразделяется.

Степень раскисления стали указывается в маркировке после содержания углерода. Если сталь кипящая, после цифр ставят буквы «кп», если полуспокойная — «пс», если спокойная — «сп». Стали всех групп с но мерами категорий 1—4 могут быть как кипящими, так и полуспокойными и спокойными; стали 5-й и 6-й категории — только полуспокойные и спокойные. Основными наиболее широко применяемыми из этой группы являются стали полностью раскисленные — спокойные, такие, как стЗсп, и менее широко применяемыми — ст2сп.

Химический состав и назначение наиболее часто используемых конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества представлены в табл. 3.7. В табл. 3.8 приведены механические свойства и характеристики упрочняющей обработки этой группы сталей.

Конструкционные углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050) отличаются от сталей предыдущей группы более высоким комплексом свойств, особенно вязкостью, и возможностями применения при более низких температурах.

Для повышения износостойкости этих сталей могут применяться разнообразные методы поверхностного упрочнения, однако относительно невысокий уровень общих механических свойств, связанный с отсутствием в химическом составе легирующих элементов, ограничивает их использование для изготовления тяжелонагруженных деталей.

Стали данной группы маркируются двумя цифрами — от 05 до 85, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если сталь кипящая, после цифр ставят буквы «кп», полуспокойная — «пс». Стали спокойные, полностью раскисленные, дополнительно не маркируются. Применяются указанные стали для изготовления различных деталей машин и выпускаются в виде горячекатаного и кованого сортового проката толщиной до 250 мм.

В зависимости от химического состава стали подразделяется на две группы:

  • — с содержанием марганца до 1 % (05кп, 10, 20, 20кп, 35);
  • — с повышенным содержанием марганца от 1 % и более (20Г, ЗОГ, 50Г, 65Г).

Углеродистая сталь с повышенным содержанием марганца отличается большей износостойкостью. Наличие марганца приводит к некоторому увеличению прочности и ударной вязкости стали.

Качественные углеродистые стали поставляются заказчику в различном состоянии: без термической обработки, после нормализации, различной степени пластической деформации. В этой группе можно выделить низко-, средне- и высокоуглеродистые качественные стали.

Конструкционные низкоуглеродистые качественные стали применяются для изготовления неответственных и слабо нагруженных деталей, к которым после проведения упрочнения методами химико-термической обработки предъявляются требования повышенной поверхностной твердости и износостойкости, (стали 08, 10, 15, 20). Они используются для изготовления втулок, винтов, пальцев, рессор, шпилек, а без упрочняющей

Таблица 3.7

Химический состав конструкционных углеродистых сталей обычного качества

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Си

Прочие

БстО

?0,23

0,07

0,06

Б(В)ст1 Бет 1 кп Вст1кп

0,06-0,12

?0,05

0,25-0,5

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As —0,08

Бет 1 пс Вст1пс

0,06-0,12

0,05-0,17

0,25-0,5

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As — 0,08

Бст1сп

Вет 1 сп

0,06-0,12

0,12-0,3

0,25-0,5

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As — 0,08

Б(В)ст2

Бст2кп

Вст2кп

0,09-0,15

?0,07

0,25-0,5

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As —0,08

Бст2пс

Вст2пс

0,09-0,15

0,05-0,17

0,25-0,5

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As — 0,08

Бст2сп

Вст2сп

0,09-0,15

0,12-0,3

0,25-0,5

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As —0,08

БстЗкп

ВстЗкп

0,14-0,22

?0,07

0,3-0,6

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As —0,08

БстЗпс

ВстЗпс

0,14-0,22

0,05-0,17

0,4-0,65

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As — 0,08

БстЗсп

0,14-0,22

0,12-0,3

0,4-0,65

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As — 0,08

ВстЗсп

0,18-0,27

0,12-0,3

0,4-0,7

0,04

0,04

?0,3

?0,3

As —0,08

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Окончание табл. 3.7

ст 3 Гсп

0,14-0,2

0,15-0,3

0,8-1,1

0,04

0,05

0,3

0,3

0,3

As —0,08 N — 0,008

Б(В)ст4

Бст4кп

Вст4кп

0,18-0,27

< 0,07

0,4-0,7

0,04

0,05

0,3

0,3

0,3

As —0,08 N — 0,008

Бст4пс

Вст4пс

0,18-0,27

0,05-0,15

0,4-0,7

0,04

0,05

0,3

0,3

0,3

As —0,08 N — 0,008

БСт4сп

ВСт4сп

0,18-0,27

0,12-0,3

0,4-0,7

0,04

0,05

0,3

0,3

0,3

As —0,08 N —0,008

Б(В)ст5 Бст5кп Встбкп

0,28-0,37

0,05-0,15

0,4-0,8

0,045

0,055

0,3

0,3

0,3

As —0,08 N — 0,008

Бстбсп

Встбсп

0,28-0,37

0,15-0,35

0,4-0,8

0,045

0,055

0,3

0,3

0,3

As —0,08 N —0,008

Б(В)ст6 Бстбпс Встбпс

0,38-0,49

0,05-0,15

0,5-0,8

0,045

  • 1
  • 0,055

0,3

0,3

0,3

As —0,08 N —0,008

Бстбсп

Встбсп

0,38-0,49

0,15-0,35

0,5-0,8

0,045 _

0,055

0,3

0,3

0,3

As —0,08 N — 0,008

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Назначение конструкционных углеродистых сталей обычного качества (к табл. 3.7)

БстО — изготовление строительных конструкций, арматуры, стопоров, обшивки кабин, деталей масленок и других неответственных и ненагруженных сварных и штампованных деталей.

Б(В) ст1, Бет 1 кп, Вст1кп — изготовление строительной арматуры, подкладок, шайб, перил, распорных втулок и других сварных и штампованных неответственных деталей.

Б(В)ст2, Бст2кп, Вст2кп — в состоянии поставки изготовление элементов сварных конструкций неответственного назначения, арматуры, оконных переплетов, жестких связей, заклепок, анкерных болтов. Кипящие стали склонны к старению.

БстЗкп, ВстЗкп — изготовление нерасчетных сварных и нссварных малоответ-ственных элементов конструкций и деталей машин, работающих при температурах от —20 до -J-425 С без динамических и вибрационных нагрузок, а также корпусов, днищ, фланцев и других деталей сосудов, работающих при температуре 10—350 С под давлением.

БстЗпс, ВстЗпс — изготовление колонн, стоек, опор трубопроводов, наклонных мостов доменных печей, газовоздухопроводов, подъемников коксовых печей. Сталь нс рекомендуется применять при температурах ниже —30' С.

БстЗсп, ВстЗсп — в горячекатаном состоянии изготовление элементов расчетных сварных, клепаных и болтовых строительных металлоконструкций из сортового, фасонного и листового проката, обечаек, корпусов сосудов, теплообменников, резервуаров, газгольдеров и других деталей, работающих при температурах от —40 до I 425"С под давлением. После нормализации изготовление различных крупных неответственных деталей.

ст 3 Гсп — изготовление сварных и штампованных изделий аналогично СтЗсп, а также других деталей общего назначения из фасонного и листового прокатов толщиной 10—36 мм, несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменной нагрузке при температурах от —40 до -f-350 JC.

Б(В)ст4, Бст4кп, Вст4кп — в горячекатаном состоянии изготовление сварных, клепаных и болтовых расчетных строительных металлоконструкций повышенной прочности, фланцев аппаратов, трубных решеток и других деталей, работающих при температуре до 450 С под давлением. В нормализованном состоянии изготовление валов, осей, шестерен и других малонагруженных деталей.

Б(В)ст5, Бст5кп, Вст5кп — изготовление клепаных, болтовых и сварных строительных металлоконструкций, фланцев аппаратов, трубных решеток теплообменной аппаратуры, не подлежащих сварке, стяжных колец, шатунных болтов, валов насосов и других деталей, работающих при температуре от —30 до т425' С под давлением.

Б(В)ст6, Бстбпс, Встбпс — изготовление шпинделей, червяков, кулачковых муфт, зубьев барабанов молотилок, пальцев поршней и других деталей повышенной прочности.

Таблица 3.8

Механические свойства и характеристики свариваемости конструкционных углеродистых сталей обычного качества

Марка

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость КС и, Дж см2

СтО

ГК прокат

<20

?303

23

20-40

22

Вст1кп

ГК прокат

<20

303-392

35

20-40

34

ВСт1 пс(сп) Ст1пс(сп)

ГК прокат

<20

314-412

34

20-40

33

ВСт2кп Ст2кп

ГК прокат

<20

323-412

215

33

24-64

20-40

206

32

Лист попереч.

наир.

<2

320-410

21

2-3,9

23

ВСт2пс(сп) Ст2пс(сп)

ГК прокат

<20

333-431

225

32

24-64

20-40

215

31

Лист попереч.

напр.

<2

330-430

21

2-3,9

23

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Продолжение табл. 3.8

ВСтЗкп СтЗкп

<20

362-460

235

27

89-140

20-40

225

25

30-115

Лист попереч.

напр.

<2

360-460

20

2-3,9

22

ВСтЗпс СтЗпс

ГК прокат

<40

370-460

235

27-25

69-98

40-100

225

100-250

215

Лист попереч. напо.

<2

370-480

20

49-78

ВСтЗсп

ГК прокат

<40

370-460

235

27-25

68-98

40-100

225

100-250

205

Лист попереч. ( напр.

<2

2-3,9

370-480

20

78

22

Н

<100

353

175

28

64

100-300

24

59

Поковка

<100

392

195

26

59

100-300

23

54

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Окончание табл. 3.8

Марка

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость кои, Дж/см2

стЗГсп

ГК прокат

<20

370-490

245

26

87-195

20-40

235

26

179-187

40-100

225

23

130-173

>100

205

23

ВСт4кп Ст4кп

ГК прокат

<20

402-509

255

25

64-98

20-40

245

24

ВСт4пс(сп) Ст4пс(сп)

ГК прокат

<20

412-529

264

24

69

20-40

255

23

ВСтбпс(сп) Ст5пс(сп)

ГК прокат

<40

490-600

275

21-19

71

40-100

265

100-250

255

Н

< 100

470

245

18

100-300

460

235

18

Н, ВО

500-800

440

215

16

64

Стбпс(СП)

ГК прокат

<40

590-705

300

16-14

63

40-100

295

100-250

295

* ГК — горячекатаный прокат, Н — нормализация, ВО — высокий отпуск.

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

обработки — для корпусов теплообменников, промысловых трубопроводов высокого давления, крюков кранов, корпусов небольших емкостей и аппаратов с рабочей температурой от —40 до +475 °C.

Отдельной составляющей этой группы сталей являются котлостроительные стали, выпуск которых регламентирует ГОСТ 29281. В их маркировке после цифрового обозначения содержания углерода добавляется буква к, например 12к, 15к, 18к.

В табл. 3.9 и 3.10 приведены химический состав, назначение, механические свойства и характеристики свариваемости наиболее часто используемых конструкционных низкоуглеродистых качественных сталей.

Конструкционные среднеуглеродистые качественные стали применяются:

  • а) в нормализованном или улучшенном состоянии для изготовления деталей с умеренными твердостью и прочностью;
  • б) закалено-отпущенном состоянии для деталей, работающих без ударных нагрузок, с повышенной износостойкостью при умеренной прочности сердцевины;
  • в) после поверхностной закалки для обеспечения повышенной твердости поверхности и умеренной усталостной прочности и прочности сердцевины.

Эти стали используются для производства пружин лебедок, вертлюгов, муфт насосных штанг, валов насосов, компрессоров, роторов, штоков грязевых насосов, стволов и переходников вертлюгов, переводников для рабочих и буровых труб, корпусов колонковых долот, фиксаторов и шпонок буровых лебедок.

Химический состав и назначение наиболее часто используемых конструкционных среднеуглеродистых качественных сталей приведены в табл. 3.11, а механические свойства и характеристики упрочняющей обработки этой группы сталей — в табл. 3.12.

Конструкционные высокоуглеродистые качественные стали с содержанием углерода от 0,55 до 0,85 % применяются чаще всего в тех случаях, когда наряду с высокими прочностью и износостойкостью требуется сохранение хороших упругих свойств. Создание требуемого комплекса свойств достигается после улучшения, заключающегося в закалке при температуре 820—840°C, и высокого отпуска 550—650°C. Стали используются для изготовления деталей подвижного состава, рессор, пружин, амортизаторов. Химический состав и назначение конструкционных указанных сталей приведены в табл. 3.13, а механические свойства и характеристики упрочняющей обработки этой группы сталей — в табл. 3.14.

Конструкционные легированные машиностроительные стали общего назначения (ГОСТ 4543) включают низко- и среднеуглеродистые среднелегированные стали. Первые две цифры в их маркировке характериТаблица 3.9

Химический состав конструкционных низкоуглеродистых качественных сталей

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Си

Прочие

05кп

?0,06

?0,03

?0,4

0,035

0,035

?0,1

?0,25

?0,25

As —0,08

Юкп

0,07-0,14

?0,07

| 0,25-0,5

0,035

0,035

?0,15

?0,25

?0,25

As —0,08

10

0,07-0,14

0,17-0,37

1 0,35-0,65

0,035

0,035

?0,15

?0,25

?0,25

As —0,08

15кп

0,12-0,19

?0,07

1 0,25-0,50

0,035

0,035

?0,25

?0,25

?0,25

As —0,08

15

0,12-0,19

0,17-0,37

1 0,35-0,65

0,035

0,035

?0,25

?0,25

?0,25

As —0,08

20кп

0,17-0,24

?0,07

1 0,25-0,5

0,035

0,035

?0,25

?0,25

?0,25

As — 0,08

20

0,17-0,24

0,17-0,37

1 0,35-0,65

0,035

0,035

?0,25

?0,25

?0,25

1 As —0,08

25

0,22-0,3

0,17-0,37 j

0,5-0,8

0,035

0,035

?0,25

?0,25

?0,25

As —0,08

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Назначение конструкционных низкоуглеродистых качественных сталей (к табл. 3.9)

05кп — изготовление плоских прокладок корпусов сосудов и аппаратов, а также неответственных деталей, изготавливаемых методом холодной штамповки и вытяжки.

Юкп — после нормализации или без термообработки изготовление патрубков, шайб, вилок, трубок, других неответственных деталей с высокой пластичностью. После химико-термической обработки (ХТО) изготовление втулок, ушек, рессор, винтов и других деталей с высокой поверхностной твердостью и износостойкостью при невысокой прочности сердцевины.

  • 10 после нормализации применяется для изготовления трубных пучков теплообменных аппаратов, змеевиков и других деталей, работающих при температурах до 475'С, к которым предъявляются требования высокой пластичности. После ХТО изготовление втулок, ушек, рессор, винтов и других деталей с высокой поверхностной твердостью и износостойкостью при невысокой прочности сердцевины.
  • 15кп после нормализации или без термообработки применяется для изготовления вилок, стяжек, траверс, гаек, винтов, болтов и других деталей, к которым предъявляются требования по высокой пластичности. После химико-термической обработки применяется для изготовления деталей с высокой твердостью поверхности и невысокой прочностью сердцевины.
  • 20кп после нормализации или без термообработки применяется для изготовления крюков кранов, строп, серег, муфт, трубопроводов, трубных пучков теплообменных аппаратов, фланцев и корпусов аппаратов, работающих при температурах от—40 до -|-475' “С под давлением, толкателей масляных насосов, кулачков, вкладышей подшипников и других деталей, изготовляемых горячей и холодной штамповкой с применением сварки. После ХТО применяется для изготовления фрикционных дисков, поршневых пальцев, кулачковых валиков, кулачков, червяков, шестерен и других деталей с высокой поверхностной твердостью и износостойкостью при невысокой прочности сердцевины.
  • 25 после нормализации или без термообработки изготовление осей, валов, соединительных муфт, рычагов, шайб, валиков и других деталей неответственного назначения и невысокой прочности. После ХТО изготовление винтов, собачек, болтов, втулок и других деталей с высокой прочностью и твердостью поверхностного слоя.

Таблица 3.10

Механические свойства и характеристики свариваемости конструкционных низкоуглеродистых качественных сталей

Марка стали

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость КС и, Дж..'см2

05

ГК прокат

< 4

255-375

30-34

Юкп

Н

315

185

33

10

Без т. о.

335-355

205-215

25-26

78

Отжиг

335

195

26

78

Н

335

205

31

Ц (920-950),

3 (790—810, вода), НО

до 20

390

245

25

Твердость поверхности HRC 56-62

Циан. (820—860), 3 820—860, вода, масло), НО

Твердость поверхности HRC 56-62

15кп

Н

350

205

29

15

Н

< 100

355

195

28

64

100-300

335

175

25

59

Н -г ВО

300-500

325

145

24

54

Ц (920-950),

3 (800-820, вода), НО

до 50

440

245

20

Твердость поверхности HRC 56-62

Циан. (820-860), 3 820—860, вода, масло), НО

Твердость поверхности HRC 56-62

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Марка стали

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость KCU, Джем2

20кп

Н

385

225

27

20

Н

< 100

395

215

25

54

100-300

375

195

23

49

н+во

300-500

365

185

22

49

500-800

355

175

20

44

Ц (920-950), 3 (800—820, вода), НО

до 50

490-590

295-340

18

Твердость поверхности HRC 56-62

Циан. (820-860), 3 820—860, вода, масло), НО

Твердость поверхности HRC 54-62

25

Н

< 100

420

235

23

88

ВО (воздух или с печью)

100-300

390

215

20

300-500

380

205

18

Ц (920-950), 3 (820—840, вода), НО

до 50

490

295

25

Твердость поверхности HRC 54-62

Циан. (820-860), 3 820—860, вода, масло), НО

Твердость поверхности HRC 56-62

  • 3.6. Износостойкость различных групп сталей
  • * ГК — горячекатаный прокат, Н — нормализация, ВО — высокий отпуск, 3 — закалка, НО — низкий отпуск, Ц — цементация, Циан. — цианирование.

Таблица 3.11

Химический состав конструкционных среднеуглеродистых качественных сталей

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Си

Прочие

30

0,27-0,35

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

<0,25

-<0,25

<0,25

As —0,08

40

0,37-0,45

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

<0,25

<0,25

<0,25

As — 0,08

45

0,42-0,5

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

<0,25

<0,25

<0,25

As —0,08

50

0,47-0,55

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

<0,25

<0,25

<0,25

As —0,08

55

0,52-0,6

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

<0,25

<0,25

<0,25

As —0,08

Назначение конструкционных среднеуглеродистых качественных сталей

  • 30 изготовление тяг, осей, рычагов, муфт, звездочек, цилиндров прессов, болтов, гаек и других деталей, к которым предъявляются требования по невысокой прочности.
  • 40 изготовление осей, коленчатых валов, валов-шестерен, шатунов, шпинделей, звездочек, головок цилиндров, шпонок, плунжеров, пальцев траков гусениц, деталей подвижного состава железных дорог и других деталей, от которых требуется повышенная прочность.
  • 45 изготовление валов-шестерен, коленчатых и распределительных валов, зубчатых колес, упорных дисков, хвостовиков, цилиндров, штуцеров, кулачков и других деталей, от которых требуется умеренная твердость и прочность после улучшения, повышенная износостойкость при умеренной прочности сердцевины после закалки и низкого отпуска.
  • 50 изготовление штоков, плунжеров, зубчатых колес, валов-шестерен, осей, бандажей, шпинделей, осей электровозов и вагонов и других деталей повышенной прочности.
  • 55 изготовление валков горячей прокатки, эксцентриков, звеньев гусеницы трактора, рессор, лемехов, цельнокатаных колес для вагонов, бандажей подвижного состава железных дорог и других деталей, требующих повышенной прочности и износостойкости.

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Таблица 3.12

Механические свойства и характеристики свариваемости конструкционных среднеуглеродистых качественных сталей

Марка

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость кси, Дж см2

30

Н

<100

470

245

21

40

100-300

460

235

19

34

Н - ВО (воздух или с печью)

300-500

470

225

18

34

500-700

460

215

17

30

40

Н

<100

550

275

18

34

100-300

530

275

16

30

н +во (воздух или с печью)

300-500

510

255

16

25

500-700

490

245

15

25

3 (830-850, вода) ВО

^100

615

340

18

49

100-300

605

315

17

40

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Марка

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость кси, Дж/см2

45

Н

<100

590

315

16

34

100-300

570

285

16

34

н - ВО (воздух или с печью)

300-500

550

275

14

30

500-700

530

255

13

25

3 (вода) 1 ВО

<60

835

570

13

40

60-100

735

440

17

50

50

Н

<100

620

325

16

34

100-300

605

305

16

34

Н - ВО (воздух или с печью)

300-500

605

295

14

30

500-700

590

295

12

25

50

3 (вода) 1 ВО

<30

880

685

13,5

40

<80

685

520

15

50

55

Н

<100

645

325

12

30

100-300

625

315

11

25

н +во (с печью)

300-500

605

305

10

25

3 (вода) 1 ВО (с печью)

805-1000

11

* Н — нормализация, ВО — высокий отпуск, 3 — закалка.

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Таблица 3.13

Химический состав и назначение конструкционных высокоуглеродистых качественных сталей

Марка стали

Химический состав, %

Назначение сталей

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Си

Прочие

60

0,57-0,65

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

?0,25

-<0,25

?0,25

Изготовление эксцентриков, шпинделей, бандажей, дисков сцепления, пружинных колец амортизаторов, регулировочных прокладок, валков прокатных и других деталей, для которых требуется высокая прочность и износостойкость

70

0,67-0,75

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

?0,25

? 0,25

?0,25

Изготовление рессор, пружин и других деталей, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства

75

0,72-0,8

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

?0,25

?0,25

?0,25

Изготовление крановых колес

85

0,82-0,9

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

?0,25

?0,25

?0,25

Изготовление пружин различных механизмов, фрикционных дисков и других деталей, от которых требуются высокие прочностные и упругие свойства

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Таблица 3.14

Механические свойства и характеристики свариваемости конструкционных высокоуглеродистых качественных сталей

Марка

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость кси, Дж см2

60

Н

675

400

12

3 (вода)

835

540

11

3 (вода)+ ВО (воздух)

>243

815-1000

390-600

20-27

49-73

70

Н

715

420

9

3 (масло)+ ВО (воздух)

40-45 HRC

1030

835

8

75

3 (масло) 4-ВО (воздух)

1080

880

7

85

3 (масло) 4-ВО (воздух)

40-45 HRC

1125

980

6

* Н — нормализация, ВО — высокий отпуск, 3 — закалка.

Глава 3. Легирование стали для повьииения прочности деталей машин

зуют содержание углерода в сотых долях процента, а буквы справа от этих цифр обозначают содержащиеся в стали легирующие элементы (табл. 3.15).

Таблица 3.15

Маркировка легирующих элементов в сталях

Элемент

Сг

Ni

Мп

Si

Со

Си

W

Nb

_rd

Mo

Al

Маркировка

X

Н

Г

с

К

д

*

в

Б

jj

М

Ю

Если содержание легирующего элемента превышает 1,5%, то его количество маркируется после соответствующей буквы цифрой от 2 и выше. Если сталь высококачественная, то в конце обозначения присутствует буква А.

Стали этой группы, используемые для обеспечения широкого спектра эксплуатационных условий, в которых работают различные машины и механизмы, имеют разный химический состав и разную технологию обработки для получения требуемого комплекса свойств. По технологии обеспечения комплекса требуемых свойств машиностроительные стали можно подразделить на следующие виды:

  • — термически обработанные (термически улучшенные) по режиму закалки в воде или масле и последующий отпуск на воздухе, что позволяет получить высокий уровень прочностных свойств стали по сечению;
  • — цементируемые, азотируемые или поверхностно-закаленные для создания высокотвердого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины с повышенным комплексом прочностных свойств.

Низкоуглеродистые конструкционные легированные стали марок 15Х, 20Х, 15Н2М, 12Х2НА применяются для тяжело нагруженных деталей, работающих при знакопеременной нагрузке, и для повышения твердости поверхностного слоя их подвергают цементации. Из этих сталей изготавливают ответственные детали: зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы. Содержание углерода для этой подгруппы не превышает 0,2 %, основной легирующий элемент—хром.

Среднеуглеродистые конструкционные легированные стали, применяемые в термически обработанном виде (чаще всего после закалки и высокого отпуска), имеют высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости, хорошую про-каливаемость. Для них характерно содержание углерода от 0,3 до 0,5 % и широкое разнообразие в системах легирования (стали типа ЗОХ, 25ХГМ, 40ХН, ЗОХГТ). Для повышения поверхностной износостойкости применяется азотирование или поверхностная закалка.

Более высокое содержание углерода (0,5—0,7 %) в группе конструкционных легированных сталей имеют рессорно-пружинные стали (60С2, 55Г, 50ХГ, 50ХФА). Основными требованиями к механическим свойствам таких сталей являются обеспечение высоких значений предела упругости, сопротивления разрушению и усталости при невысокой пластичности. Чаще всего рессорно-пружинные стали легируют кремнием. Задерживая распад мартенсита при отпуске и упрочняя феррит, кремний повышает предел упругости стали. Режим термической обработки назначается в зависимости от условий работы. Наиболее высокие значения предела упругости достигаются в результате среднего отпуска на троостит. Кремниймарганцовистые и хромомарганцевые стали имеют повышенную прокаливаемость.

Химический состав и область применения для наиболее часто используемых легированных машиностроительных сталей общего назначения приведены в табл. 3.16, а их механические свойства — в табл. 3.17.

Конструкционные легированные стали для сварных конструкций (ГОСТ 29281) относятся к низкоуглеродистым, низко- и среднелегированным сталям. Маркировка сталей не отличается от предыдущей группы. Для сварных конструкций ответственного назначения наибольшее применение нашли стали марок 09Г2, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С, 15ГФ, 10ХСНД. Основными легирующими элементами в этих сталях являются кремний и марганец, что способствует повышению вязкости и прочности. Другие легирующие элементы добавляются для придания специальных свойств. Высокими износостойкими свойствами эта группа сталей не обладает.

Химический состав и назначение наиболее часто используемых сталей этой группы приведены в табл. 3.18, а их механические свойства — в табл. 3.19.

Теплоустойчивые стали (ГОСТ 20072) относятся к низкоуглеродистым низко- и среднелегированным сталям с особыми свойствами. Маркировка этой группы сталей проводится аналогично маркировке конструкционных легированных сталей. Это низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,08—0,15% (иногда его повышают до 0,2—0,3%), легированные хромом, молибденом и ванадием, с содержанием легирующих элементов в пределах 3-5 %, например 12МХ, 12X1 МФ, 18ХЗМВ, 20Х1М1ФТР. Сохранение прочности этих сталей при повышенных температурах объясняется легированием твердого раствора хромом и, главное, молибденом, а также наличием труднорастворимых карбидов.

Понижение скорости диффузии легирующих элементов в твердом растворе, низкая склонность к коагуляции комплексных карбидов хрома, молибдена и других карбидообразующих элементов позволяет сохранить не распавшимся твердый раствор. Легирование твердого раствора ограниченно повышает жаропрочность сталей и не превышает обычно 0,6 от температуры плавления. Основной путь в повышении жаропрочности теплоустойчивых сталей — это создание структуры с однородным распределением мелких карбидных частиц внутри зерен и по их границам. Для создания такой структуры теплоустойчивые стали подвергают нормализации при температуре нагрева около 1000 °C и высокому отпуску при

Таблица 3.16

Химический состав конструкционных легированных сталей

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Си

Прочие

12ХНЗА

0,09-0,16

0,17-0,37

0,3-0,6

0,025

0,025

0,6-0,9

2,75-3,15

0,3

15Х

0,12-0,18

0,17-0,37

0,4-0,7

0,035

0,035

0,7-1,0

0,3

0,3

18Х2Н4МА

0,14-0,2

0,17-0,37

0,25-0,55

0,025

0,025

1,35-1,65

4,0-4,4

<0,3

Мо — 0,3-0,4

20Х

0,17-0,23

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

0,7-1,0

0,3

0,3

As —0,08 N—0,008

20ХНЗА

0,17-0,24

0,17-0,37

0,3-0,6

0,025

0,025

0,6-0,9

2,75-3,15

< 0,3

20ХНМ

0,1 — 0,22

0,17-0,37

0,4-0,7

0,035

0,035

0,4-0,6

1,6-2,0

0,3

Мо — 0,2-0,3

20ХГНМ

0,18-0,23

0,17-0,37

0,7-1,1

0,035

0,035

0,4-0,7

0,4-0,7

0,3

Mo-О. 15-0,25

ЗОХМА

0,26-0,33

0,17-0,37

0,4-0,7

0,025

0,025

0,8-1,1

0,3

0,3

Mo-О. 15-0,25

38Х2Ю

0,35-0,43

0,2-0,4

0,2-0,5

0,035

0,025

1,5-1,8

А1 — 0,5-0,8

38Х2МЮА

  • 0,35-0,42
  • 1 J

0,2-0,45

0,3-0,6

0,025

0,025

1,35-1,65

0,3

0,15-0,25

А1 — 0,7-1,1 Си —0,3

40Г2

0,36-0,44

0,17-0,37

1,4-1,8

0,035

0,035

0,3

0,3

0,3

40Х

0,36-0,44

0,17-0,37

0,5-0,8

0,035

0,035

0,8-1,1

0,3

0,3

40ХН

0,36-0,44

0,2

0,5-0,8

0,035

0,35

0,45-0,75

1,0-1,4

0,3

40ХН2МА

0,36-0,44

0,2

0,5-0,8

0,035

0,35

0,45-0,75

1,0-1,4

0,3

50ХФА

0,46-0,54

0,17-0,37

0,5-0,8

0,025

0,025

0,8-1,1

0,25

0,2

V — 0,1-0,2

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Назначение конструкционных легированных сталей (к табл. 3.16)

  • 12ХНЗА в цементованном состоянии изготовление метчиков и колоколов для ловильных работ, плашек труболовов, поршневых пальцев крупных компрессоров, валов соединительных зубчатых муфт, звездочек и быстроходных, тяжело нагруженных зубчатых передач буровых установок, сухарей трубных ключей, валиков и втулок втулочно-роликовых цепей и других цементируемых изделий, требующих высокой прочности, вязкости, пластичности и ударостойкости, таких, как шестерни, валы, червяки, поршневые кольца и др.
  • 15Х в цементованном состоянии изготовление колоколов и метчиков ловильных устройств бурильных труб, различных не сильно нагруженных шестерен, валиков, осей, тарелок клапанов грязевых насосов, звездочек цепных передач буровых установок, цементируемых деталей, работающих в условиях износа при трении таких деталей, как втулки, пальцы, шестерни.
  • 18Х2Н4МА изготовление высокоответственных деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности и одновременно высокой вязкости. После цементации цементированные поверхности имеют высокую износостойкость. Используется также в случае высоких вибраций и динамических нагрузок деталей. Сталь применяется и в термоулучшенном состоянии: температурный интервал применения от —70 до —450' С.
  • 20Х цементируемая сталь применяется в тех же случаях, что и сталь 20 при необходимости более глубокой прокаливаемости и более высокого комплекса свойств. Втулки, пальцы, шестерни, валики, толкатели и другие детали, подвергающиеся цементации, к которым предъявляются требования по более высокой поверхностной твердости, чем у стали 20.
  • 20ХНЗА изготовление цементируемых и нецементируемых изделий, от которых требуется сочетание высокой вязкости, прочности и ударостойкости. В цементируемом состоянии изготовление шарошек и лап буровых долот, крупных шестерен и валов, втулок, силовых шпилек, болтов, муфт и червяков.
  • 20ХНМ изготовление насосных штанг и высоконагружснных деталей с высокой ударостойкостью, цементируемых и нецементируемых деталей, преимущественно некрупных—валов, шестерен и других, к которым предъявляются требования по сочетанию повышенной прочности и вязкости, а также износостойкости (для цементованных) и хладостойкости (до —70 'С для пецемептовапных).
  • 20ХГНМ цементируемая и улучшаемая сталь применяется как заменитель стали 20ХНМ.

ЗОХМА — изготовление шпилек фонтанной арматуры, работающей при высоких давлениях до 250 МПа, валов центробежных насосов с рабочей температурой до 525 С, корпусов теплообменников в нефтепереработке. Сталь ЗОХМА в отличие от стали 40Х благодаря наличию молибдена и пониженному содержанию углерода при несколько меньшей прочности имеет более высокую вязкость и, главное, нс склонна к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска нс требует ускоренного охлаждения в масле и может охлаждаться на воздухе. Наличие молибдена также способствует повышению теплостойкости (жаропрочности) стали.

  • 38Х2Ю изготовление азотируемых деталей, не требующих высокой вязкости сердцевины после азотирования, но требующие высокой износостойкости поверхности: мерительного инструмента, направляющих втулок, плунжеров глубинных насосов, трущихся деталей приборов. Может выступать как заменитель стали 38Х2МЮА с учетом того, что после азотирования имеет более низкую вязкость.
  • 38Х2МЮА изготовление деталей, подвергающихся азотированию: штоков клапанов, гильз цилиндров, пальцев, плунжеров, шестерен и иных деталей, требующих высокой износостойкости. Рабочая температура от 0 до -f-450 С. Для некрупных деталей может быть заменена сталью 38Х2Ю.
  • 40Г2 после нормализации или закалки с высоким отпуском, изготовление бурильных труб, обсадных и насосно-компрессорных труб. Сталь 36Г2С — специальная сталь нефтяного сортамента, близкая по составу и свойствам к стали 40Г2.
  • 40Х термически обрабатываемая сталь используется для изготовления шпилек и болтов фланцевых соединений, работающих при температуре не выше +400 С, деталей турбобуров, корпусов нипслсй, переходников, а также деталей, подвергающихся поверхностной закалке, таких, как оси, нагруженные валы, штоки насосов и задвижки, переходники редукторов станков качалок, тройников фонтанной арматуры, коленчатых и кулачковых валов, зубчатых колес, втулок.
  • 40ХН термообрабатываемая сталь с высоким комплексом механических свойств и ограниченной прокаливаемостью применяется для нагруженных валов транспортных механизмов, зубчатых соединительных муфт, звездочек цепных передач, буровых установок, пластин и роликов втулочно-роликовых цепей, осей, шатунов, шестерен, шпинделей, болтов, рычагов, штоков, цилиндров и других ответственных деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования по повышенной прочности и вязкости.
  • 40ХН2МА изготовление ответственных высоконагруженных деталей, от которых требуется высокая прочность и хорошая вязкость: коленчатые валы, клапаны, шатуны, болты, кулачковые муфты. Интервал рабочих температур от —40 до -|-400аС. В качестве заменителя может выступать сталь 38ХНМ.
  • 50ХФА применяется в термически обработанном состоянии для изготовления сухарей трубных ключей, тяжелонагруженных, ответственных деталей, к которым предъявляются требования высокой усталостной прочности: различные упругие элементы, нагруженные пружины для насосов, амортизаторы и предохранительные клапаны и др. Рабочая температура до -f-350' 'С.

Таблица 3.17

Механические свойства и характеристики свариваемости конструкционных легированных сталей

Марка стали

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость кси, Дж см“

I2XH3A

ГК прокат

15

930

685

11

88

15Х

ГК прокат

15

690

490

12

69

3 (880 С), От (600 п С)

^100

590

345

18

59

18Х2Н4МА

ГК прокат

15

ИЗО

835

12

98

Поковка

<100

930

785

12

59

300-500

835

685

И

39

20Х

ГК прокат

15

780

635

11

59

ОК/прокат

< 550

НгК/прокат

590

345

45

20ХНЗА

Т/прокат

15

930

735

12

108

У/прокат

15

930

735

12

108

От/поковка

<100

735-835

590-685

14-13

59

20ХНМ

ГК/прокат

15

880

685

11

78

Ц

30

1180

930

И

78

20ХГНМ

ГК/прокат

1570-1180

930

7

59

ЗОХМА

У/прокат

15

930

735

12

88

3, О

<100

615-655

395-490

16-17

38Х2Ю

У/прокат

30

882

735

10

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Продолжение табл. 3.17

38Х2МЮА

У/прокат

30

980

835

14

88

3, О/поковка

60

1030

880

18

59

100

880

730

10

200

780

590

10

40Г2

У/прокат

25

660

380

12

3 (800-830 "С), О (425 °C)

38

1100

930

10

40Х

У/прокат

25

980

785

10

59

11/поковка

< 100

570

315

17

39

100-300

14

34

3, О/поковка

<100

655

490

16

59

100-300

13

54

40ХН

3 (820 °C), масло О (500 °C)

25

980

785

11

69

Н/поковка

100-300

570

315

14

34

3, О

< 100

  • 100-300
  • 300-500
  • 615-735
  • 590

395-590

14-17

59

13-15

54-49

345

14

49

3.6. Износостойкость различных групп сталей

4—

О

Окончание табл. 3.17

Марка стали

Термическая обработка, сортамент*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость кои, Дж/см 2

3 (820 аС), масло О (200 °C)

25

1080-980

930-835

12

78-98

40ХН2МА

3 (850 °C), О (620 °C)

25

1080

930

10

78

У/прокат

25

980

835

12

98

3, О /поковка

<100 100-300 500-800

930-880

785-735

12-13

59

685-930

540-785

11-13

49

635

440

11

39

3 (850 С), О (470 °C)

<80

1270

1080

8

50ХФА

Нг/лист

0,1-0,4

1200-800

От/лист

0,1-0,4

< 900

8

О/прокат

710

420

16

3, О/прокат

15

1470

1270

12

* ГК—горячекатаный, ОК — отожженный калиброванный, Нг — нагартованный, У — улучшение, Н — нормализация, О — отпуск, 3 — закалка, От — отжиг.

Глава 3. Легирование стали для повьаиения прочности деталей машин

Таблица 3.18

Химический состав конструкционных легированных сталей для сварных конструкций

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Си

Прочие

09Г2

^0,12

0,2-0,4

1,4-1,8

0,035

0,035

<0,3

<0,3

<0,3

10Г2

0,07-0,15

0,17-0,37

1,2-1,6

0,035

0,035

<0,25

<0,25

<0,2

09Г2С

^0,12

0,5-0,8

1,3-1,7

0,035

0,035

<0,3

<0,3

0,15-0,35

Ti — 0,01-0,03

10Г2С1

^0,12

0,9-1,2

1,3-1,65

0,035

0,035

<0,3

<0,3

<0,3

16ГС

0,12-0,18

0,4-0,7

0,9-1,2

0,035

0,035

<0,3

<0,3

N — 0,08

As —0,08

17ГС

0,14-0,2

0,4-0,6

1,0-1,4

0,035

0,035

<0,3

<0,3

<0,3

N —0,08 As —0,08

17Г1С

0,15-0,2

0,4-0,6

1,15-1,6

0,035

0,04

<0,3

<0,3

N —0,08 As —0,08

10Г2С1Д

^0,12

0,8-1,1

1,3-1,65

0,035

0,035

<0,3

<0,3

0,15-0,3

N — 0,08 As —0,08

10ХСНД

0,12

0,8-1,1

0,5-0,8

0,035

0,035

0,6-0,9

0,5-0,8

0,4-0,6

N — 0,08 As —0,08

15ХСНД

0,12-0,18

0,4-0,7

0,4-0,7

0,035

0,35

0,6-0,9

0,3-0,6

0,2-0,4

15ГФ

0,12-0,18

0,17-0,37

0,9-1,2

0,035

0,035

<0,3

<0,3

<0,3

V —0,05-0,12

14Г2АФД

0,12-0,18

0,3-0,6

1,2-1,6

0,035

0,035

<0,4

<0,3

0,15-0,3

V —0,07-0,12 N—0,015-0,025

16Г2АФ

0,14-0,2

0,3-0,6

1,3-1,7

0,035

0,035

<0,4

<0,3

<0,3

V —0,08-0,14 N —0,015-0,025

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Назначение конструкционных легированных сталей для сварных конструкций (к табл. 3.18)

  • 09Г2 изготовление балок, уголков, швеллеров, деталей корпусов, применяемых в вагоностроении, днищ, секторов и фланцев регенераторов, обечаек и других деталей установок, где требуется сварка.
  • 10Г2 изготовление патрубков штуцеров, змеевиков, трубных пучков, крепежных и других деталей, применяемых в нефтеперерабатывающем машиностроении для работы при температуре —70 С под давлением.
  • 09Г2С изготовление аппаратов, применяемых в химическом и нефтяном машиностроении для работы под давлением и при температурах от —70 до +475 С, листовых сварных конструкций судостроения и котлостроения, металлоконструкций и других ответственных сварных изделий
  • 10Г2С1 — изготовление корпусов, днищ, фланцев и других деталей паровых котлов и сосудов, работающих при температуре от—70 до+475 С под давлением.
  • 16ГС изготовление деталей и частей паровых котлов и сосудов, работающих при температуре от —40, в отдельных случаях от —70 до +475' С под давлением.
  • 17ГС изготовление трубопроводов, корпусов, днищ, фланцев и других деталей сосудов, работающих при температуре от —70 до I 475 С под давлением. 1
  • 10Г2С1Д изготовление корпусов, днищ, фланцев и других деталей паровых котлов и сосудов, работающих при температуре от—70 до I 475 С под давлением.
  • 10ХСНД изготовление деталей сварных конструкций, аппаратов и сосудов химической промышленности, работающих при температуре от —70 до 450 С.
  • 15ХСНД изготовление сварных труб магистральных нефтепроводов, труб высокого давления и др.
  • 15ГФ изготовление сварных конструкций в строительстве и машиностроении.

Таблица 3.19

Механические свойства и характеристики свариваемости конструкционных легированных сталей для сварных конструкций

Марка стали

Термическая обработка, сортамент

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость КСU, Дж/см2

09Г2

Без т. о.*

4-10

450

305

18

39

11-24

440

305

29

25-30

430

295

29

  • 10Г2
  • 09Г2С

Без т. о.

470

265

21

120

Н*

В состоянии поставки

<100

  • 430
  • 490
  • 215
  • 345

22

55

100-200

20

45

200-400

18

40

400-800 4-10

  • 16
  • 18

35

11-18

470

325

19-24

470

315

25-30

460

305

32-48

450

295

1

50-80

440

275

10Г2С1

В состоянии поставки

4—7

510

370

22

64

8-32

490

345

59

34-60

470

335

59

60-160

450

315

59

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Окончание табл. 3.19

16ГС

Без т. о.

4-10

490

325

22

11-16

490

315

60

17-30

470

295

60

32-60

460

285

60

60-160

450

275

60

?5

510

345

17ГС

В состоянии поставки

5-10

510

345

23

44

10-20

490

335

34

17Г1С

Лист, полоса

?10

510

335

23

10-20

510

345

10Г2С1Д

В состоянии поставки

?5

490

355

21

5-10

490

345

10-20

480

335

20-32

470

325

32-60

450

325

60-80

430

295

10ХСНД

В состоянии поставки

5-32

530

390

19

32-40

509

390

19

15ХСНД

5-32

490

345

21

176

15ГФ

В состоянии поставки

?5

510

375

21

5-10

510

375

10-20

510

355

20-32

470

335

14Г2АФД

5-50

540

390

20

44

16Г2АФ

5-32

590

440

20

32-50

570

410

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

* Н — нормализация; т. о. — термическая обработка.

температуре 650—750°C в течение 2—3 ч. Стали этой группы обладают окалиностойкостыо до 570°С.

Химический состав и назначение наиболее часто используемых теплоустойчивых сталей приведены в табл. 3.20, механические свойства — в табл. 3.21.

Жаростойкие, жаропрочные и коррозионно-стойкие стали (ГОСТ 5632) относятся к группе низкоуглеродистых высоколегированных сталей с различной системой легирования в зависимости от назначения и требований к рабочим свойствам. Маркируются стали всех этих групп так же, как и легированные конструкционные стали. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются никель и хром. Остальные легирующие элементы подразделяются на две группы:

  • 1) ферритостабилизирующие — Mo, W, V, Nb, Ti, Si и другие элементы, повышающие количество феррита в структуре стали аналогично хрому;
  • 2) аустенитостабилизирующие — С, Со, Мп, N, которые наряду с никелем повышают устойчивость аустенита.

Для определения структурного состава стали служит диаграмма Шеффлера (рис. 3.19).

Структурная диаграмма Шеффлера сварных швов коррозионно-стойких, литых хромоникелевых сталей; Ni= Ni+ 30С%+ 1,5Мп%; Сг = Сг%+ Mo %+ l,5Si %+ 0, 5Nb % + 0,8W %+ 1,5V % + 4Ti %+ 3,5A1 %

Рис. 3.19. Структурная диаграмма Шеффлера сварных швов коррозионно-стойких, литых хромоникелевых сталей; Ni3KB= Ni+ 30С%+ 1,5Мп%; Сг9КВ = Сг%+ Mo %+ l,5Si %+ 0, 5Nb % + 0,8W %+ 1,5V % + 4Ti %+ 3,5A1 % (при отсутствии азота в составе стали в расчете Ni3KB коэффициент перед марганцем берут равным не 0,5, а 1,5)

Таблица 3.20

Химический состав теплоустойчивых сталей

Марка стали

Химический состав, %

с

Si

Мп

р

S

Сг

Ni

Си

Прочие

1 12ХМ

0,09-0,16

1 0,17-0,37

0,4-0,7

I 0,03

0,025

0,4-0,7

0,3

0,4-0,6

V —0,05

12Х1МФ

0,08-0,15

0,17-0,37

0,4-0,7

0,025

0,03

0,9-1,2

0,3

0,25-0,35

V —0,15-0,3 Ti — 0,05-0,12

15ХМ

0,11-0,18

0,17-0,37

0,4-0,7

0,035

0,035

0,8-1,1

0,3

0,4-0,55

Си —0,2

15Х5М

0,15

0,5

0,5

1 0,03

0,025

4,5-6

0,6

0,45-0,6

15Х1МФ

0,1-0,16

| 0,17-0,37

0,4-0,7

1 0,03

0,025

1,1-1,4

1 0,9-1,1

V — 0,2-0,25

1 25X1 МФ

0,1-0,16

1 0,17—0,37

0,4-0,7

1 0,03

0,025

1,1-1,4

0,9-1,1

0,2-0,25

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Назначение теплоустойчивых сталей (к табл. 3.20)

  • 12ХМ— используется для изготовления несущего слоя корпуса колонны термического крекинга, несущего слоя корпусов аппаратов гидроочистки, реактора каталитического риформинга, труб парокотельных установок, сортовых деталей и кованых заготовок для длительной работы при температуре до 510 'С. Может применяться там же, где и сталь 15ХМ.
  • 12X1 МФ — используется для изготовления труб высокого давления для весьма длительной службы при 540 С, труб и других высокотемпературных элементов печей подогрева продукта, работающих до 520 С без коррозионно-активных сред, несущего слоя корпуса колонны термического крекинга, несущего слоя корпусов аппаратов гидроочистки, реактора каталитического риформинга, параперегревателя и трубопровода парокотельных установок высоких параметров, сортовых деталей и кованых заготовок для длительной работы при высокой температуре.
  • 15ХМ изготовление деталей, работающих при температуре до 500 С. Допускается наличие водородосодержащей среды при этой температуре и парциальном давлении до 2 МПа, при температуре до 380 С и давлении 10 МПа. Применяется для изготовления пароперегревателей для водяного пара установок первичной переработки нефти, деталей аппаратуры каталитического риформинга, реакционных камер, испарителей высокого давления, трубопроводов.
  • 15Х5М изготовление труб, арматуры и аппаратов нефтегазоперерабатывающего комплекса для работы при температуре до 540 С, змеевиков печей для подогрева нефти и нефтепродуктов, элементов колонн и трубопроводов установок для первичной переработки нефти.
  • 15Х1МФ изготовление трубопроводов высокого давления, длительно работающих при 520 С.
  • 25Х1МФ изготовление различных деталей, работающих при температуре до -г540 С, крепежных деталей, используемых в интервале температур от —40 до +500°С.

Таблица 3.21

Механические свойства и характеристики свариваемости теплоустойчивых сталей

Марка стали

Термическая обработка, сортамент

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость KCU, Дж/см2

12ХМ

Н (920 С), О (680-690' С)

20

455

284

31

189

200

450

250

20

184

300

480

290

20

157

400

450

250

23

178

450

420

260

21

500

400

235

22

94

510

405

240

22

  • 540
  • 550
  • 365
  • 360
  • 225
  • 220
  • 21,6
  • 22

77

600

310

220

26

142

12X1 МФ

Н (960-1030 С), О (680-760 С)

20

520

330

25

147-196

480

490

340

22

137

500

440

320

18-20

520

440

320

21-22

108

  • 550
  • 560
  • 380
  • 310
  • 290
  • 220
  • 20-24
  • 20-26

127

580

300

210

22-28

600

230

190

23-38

650

200

160

28-40

750

140

130

37-42

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Продолжение табл. 3.21

15ХМ

Н (900-920 ПС), 0 (630-650 °C)

20

440

275

21

265

350

510

250

245

400

500

250

162

450

490

250

167

500

450

250

550

420

270

15Х5М

От (840—870°C), воздух

20

470

236

18

118

300

380

250

500

300

200

600

200

100

700

110

61

15Х5М

Н (840-860 аС), О (730-750 °C)

440

220

22

120

Н (1000°C), О (700 аС)

20

800

660

15

190-240

200

680

580

15

300

670

550

15

  • 400
  • 450
  • 630
  • 620
  • 530
  • 520
  • 14
  • 16

500

550

465

19

550

500

390

22

600

415

300

22

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Си

СТ-

Окончание табл. 3.21

Марка стали

Термическая обработка, сортамент

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость KCU, Дж см2

15Х1МФ

3 (1020—1050 °C), масло, О (730-760 °C)

20

590

380

21

500

470

310

19

550

410

310

19

660

320

260

20

25X1 МФ

3 (1020-1050 °C),

20

590

380

21

80-100

масло, О 730-760 °C)

500

470

310

19

550

410

310

19

660

320

260

20

* Н — нормализация, О — отпуск, 3 — закалка, От — отжиг.

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Ось ординат указанной диаграммы отражает значение никелевого эквивалента и характеризует суммарное воздействие аустенитостабилизирующих элементов, содержащихся в стали. На оси абсцисс откладывается значение хромового эквивалента, отражающего суммарное воздействие элементов-ферритизаторов. В зависимости от соотношения легирующих элементов стали этой группы, подвергнутые высокотемпературному нагреву и последующему охлаждению на воздухе, могут иметь широкий спектр структур:

  • 1) ферритные (08X17Т, 15Х25Т, 15X28);
  • 2) мартенситные (08X13, 15X11МФ, 18Х11МНФБ);
  • 3) аустенитные (08Х18Н10,45Х14Н14В2М);
  • 4) аустенитно-ферритиые с широким диапазоном изменения соотношения составляющих (08Х22Н6Т, 09X17Н7Ю);
  • 5) мартенсито-ферритные, содержащие не менее 10% феррита (15Х6С10).

К сталям ферритного класса относятся низкоуглеродистые стали, основным и часто единственным легирующим элементом которых является хром. Содержание хрома начинается от 17% и может доходить до 30%. За счет высокого содержания хрома стали этого класса приобретают однофазную ферритную структуру, которая в условиях высоких температур склонна к росту зерна и снижению ударной вязкости. Для предотвращения этого сталь дополнительно легируют сильными карбидообразующими элементами, чаще всего титаном. Образующиеся стойкие карбиды (типа МеС) затрудняют рост ферритных зерен.

Основной рабочей характеристикой сталей ферритного класса является жаростойкость. Решающее значение для обеспечения жаростойкости этих сталей имеют химический состав и строение окисной пленки, образующейся на поверхности изделия, что обеспечивается легированием хромом, алюминием и кремнием. Однако содержание алюминия и кремния необходимо ограничивать в связи с ухудшением технологических свойств при обработке давлением.

Хромистые и высокохромистыс стали нс обладают особо высокой жаропрочностью, поэтому их используют в изделиях, работающих без больших нагрузок, особенно ударных, при температуре до 1000°C.

Стали с ферритной структурой обладают повышенной стойкостью к высокотемпературной сероводородной коррозии. Ферритные стали на базе 17% хрома имеют более высокую коррозионную стойкость в атмосфере и некоторых химически активных средах, например в азотной кислоте. Структурное состояние в них зависит от содержания углерода. Если концентрация углерода не более 0,1 %, то это однофазная ферритная сталь. Увеличение содержания хрома до 25—28 % при сохранении содержания углерода в пределах 0,1 % также обеспечивает формирование чисто ферритной структуры. Эти стали применяются для ряда химически активных сред как особо кислотостойкие. Повышение содержания углерода до 0,2 % и более обеспечивает формирование ферритно-мартенситной структуры и снижает пластические свойства и ударную вязкость стали.

В табл. 3.22 и 3.23 приведены химический состав, назначение и механические свойства наиболее часто используемых сталей ферритного класса.

Стали мартенситного класса по системе легирования бывают вы-сокохромистые и хромокремниевые (сильхром). Высокохромистые стали содержат небольшое количество углерода (0,1—0,15%) и 10—14% хрома, дополнительно легируются молибденом, ванадием, ниобием и вольфрамом (08X13, 15X11МФ, 18Х11МНФБ). Наличие стойких карбидов упрочняет металл. Повышенное содержание углерода (свыше 0,3 %) в этих сталях снижает их рабочие характеристики, так как способствует выделению карбидов (РеСг)з, (СгРе)2зСб и приводит к обеднению твердого раствора хромом. Поэтому сталь мартенситного класса используют после нормализации (нагрев до 1050—1100 аС для растворения карбидов хрома и молибдена) и высокого отпуска (690—750°С). Сильхромы содержат повышенное количество углерода — до 0,4 %, 5—10 % хрома и 2—3 % кремния (40X10С2М, 40Х9С2, 15Х6С10). Высокая степень легирования твердого раствора хромом, а также наличие молибдена и ванадия существенно замедляют диффузию углерода и коагуляцию мелких карбидов при нагреве. Это приводит к сохранению прочности сталей до более высокой температуры, чем у предыдущей группы. Жаропрочность таких сталей повышается с ростом содержания хрома и кремния и достигает 600—650 °C. Они обладают также повышенной жаростойкостью в среде пара и выхлопных газов.

В табл. 3.24 и 3.25 представлены химический состав, назначение и механические свойства сталей мартенситного класса.

Стали с аустенитной структурой формируются на базе легирования хромом более 18% и никелем более 10%. Никель иногда частично заменяют марганцем. Никель существенно стабилизирует у-фазу, снижает скорость закалки. При одновременном легировании хромом (более 18%) и никелем (более 8 %) скорость закалки снижается так, что сталь даже при очень медленном охлаждении сохраняет аустенитную структуру, а точка начала мартенситного превращения лежит ниже комнатной температуры. Основой для обеспечения свойств этих сталей является наличие полностью аустенитного состояния.

Однофазные аустенитные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным количеством дисперсных карбидной и ин-терметаллидной фаз (12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9). Такая структура получается после закалки при температуре 1020—1100°С. При более высоком содержании углерода (0,4 %) большой вклад в высокотемпературное упрочнение вносит карбидная фаза, которая создается одновременно несколькими карбидообразующими элементами — W, Mo, Ti, Nb, V —

Таблица 3.22

Химический состав жаростойких сталей ферритного класса

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Прочие

08X17Т

0,08

0,8

0,08

0,035

0,025

16-18

Ti >5% С <0,8

12X17

0,12

0,8

0,8

0,035

0,025

16-18

15Х25Т

0,15

1,0

0,08

0,035

0,025

24-27

0,6

Ti >5% С <0,9

15X28

0,15

1

0,8

0,035

0,025

27-30

Назначение жаростойких сталей ферритного класса

  • 08X17Т окалиностойкость до 850 °C, обладает повышенной сопротивляемостью межкристаллитной коррозии. Применяется для изготовления оборудования азотнокислых производств, заводов пищевой и молочной промышленности, а также различных изделий, работающих в средах средней агрессивности. Применяются для верхних тарелок атмосферных колонн, теплообменников предварительного подогрева сырья и других сварных конструкций, не подвергающихся ударным нагрузкам при температуре эксплуатации не ниже 20'С.
  • 12X17 окалиностойкость до 850' С. Применяется для изготовления оборудования и деталей азотнокислых производств, заводов пищевой промышленности, крепежных деталей аппаратов и сосудов, работающих в растворах солей, обладающих окислительными свойствами.
  • 15Х25Т окалиностойкость до 1100 с,С, обладает коррозионной стойкостью в серосодержащих средах. Применяется для изготовления аппаратов и сосудов для различных растворов азотной кислоты, щелочей, аппаратуры нагревательных печей, чехлов термопар, электродов искровых зажигательных свечей, малопагружепных детали печей с рабочей температурой до 1000 Применяется также для изготовления сварных конструкций, нс подвергаемых действию ударных нагрузок при рабочей температуре не ниже —20 °C.
  • 15X28 окалиностойкая сталь до 1100 °C. Жаростойкость до 900—950 С без значительных нагрузок. Обладает коррозионной стойкостью в азотных и серосодержащих средах. Применяется для изготовления сварных конструкций, не подвергаемых действию ударных нагрузок при рабочей температуре не ниже —20 °C.
  • 3.6. Износостойкость различных групп сталей

Механические свойства и характеристики свариваемости жаростойких сталей

Марка стали

Термическая обработка, сортамент

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость KCU, Дж см2

08X17Т

От (760—780 QC), воздух

20

440

18

118

500

167

600

200

700

85

68

180

800

40

65

170

900

25

60

160

1000

15

80

Н (760-780 С)

20

500

300

20

100

480

290

20

200

470

290

20

400

370

250

25

500

280

200

34

600

220

170

39

12X17

От (760-780 °C)

390

245

20

15Х25Т

От (760-780 °C), воздух

440

14

15X28

От (680-720 °C), охлаждение в воде

440

295

25

'1

Примечание. Длительный нагрев выше 1000‘С приводит к охрупчиванию. Скорость окисления, мм/год:

  • — в потоке чистого воздуха при 900 "С (500 ч.) — 0,9;
  • — в потоке воздуха, содержащего 1,5 % SO2, при 900 °C (500 ч.) —0,54;
  • — в спокойном воздухе при 1050 С (1500 ч.) — 0,35.
  • * Н — нормализация, О — отпуск, 3 — закалка, От — отжиг.

Глава 3. Легирование стали для повьииения прочности деталей машин

Таблица 3.24

Химический состав жаропрочных сталей мартенситного класса

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Мо

Прочие

12X13

0,09-0,15

0,8

0,8

0,025

0,03

12-14

1 20X13

0,16-0,25 1

0,80

0,80

0,025

0,030

12,0-14,0

1 30X13

0,25-0,34

0,8

0,8

0,025

0,03

12-14

1 14Х17Н2

0,11-0,17

0,8

0,8

0,025

0,03

16-18

1,5-2,5

-

15X11МФ

0,11-0,19

0,5

0,7

0,025

0,03

10,5-11,5

0,6-0,8

V —0,25-0,45

15Х12ВНМФ

0,12-0,18

0,4

0,5-0,9

0,025

0,03

11-13

0,4-0,8

0,5-0,7

W — 0,7-1,1

V —0,15-0,3

18Х11МНФБ

0,15-0,21

0,6

0,6-1,0

0,025

0,03

10-11,5

0,5-1,0

0,8-1,1

Nb — 0,20-0,45 V —0,2-0,4

J 14Х12В2МФ

0,1-0,17

0,5

0,5-0,8

0,025

0,03

11-13

0,6-0,9

W — 1,7-2,2 V —0,15-0,3

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Назначение жаропрочных сталей мартенситного класса (к табл. 3.24)

  • 12X13 жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь, используется для сернистых газов и других сред до 500 С.
  • 20X13 жаропрочная и коррозионно-стойкая сталь, используется для изготовления клапанов гидравлических прессов, лопаток паровых турбин, тарелок и седел клапанов, уплотнительных втулок, поршневых колец, деталей аппаратов пищевой промышленности, медицинского оборудования.
  • 30X13 сталь жаропрочная и коррозионно-стойкая. Применяется после закалки и отпуска. Изготовляются пружины, паровая арматура, карбюраторные иглы, детали паровых турбин, нажимные болты плавающих головок теплообменной аппаратуры, мерительный и хирургический инструменты, детали аппаратов, работающих в серосодержащих средах при повышенных температурах.
  • 14Х17Н2 сталь жаропрочная, коррозионно-стойкая, окалиностойкая, используется до температуры 800 С. Применяется для изготовления рабочих лопаток, дисков, валов, фланцев и других деталей, работающих в условиях влажной среды, деталей компрессорных машин для работы на нитрозном газе, подвесок, хомутов и других элементов крепления котлов, работающих при температуре до 750"С.
  • 15X11 МФ — используется для условий работы, аналогичных сталям 15ХМ, 12ХМ, 15Х1МФ, но при наличии более высоких температур — до 560'Ст'Применяется для изготовления различных деталей паровых турбин. Может с успехом заменять сталь 15Х5М с учетом ограниченной свариваемости.
  • 15Х12ВНМФ жаропрочная сталь, используется для работы при температуре до 580' С. Применяется для изготовления деталей турбин.
  • 18X11МНФБ жаропрочная сталь, используется для работы при температуре до 580' С. Применяется для изготовления литых конструкций.
  • 14Х12В2МФ используется как жаропрочная сталь для работы при температуре до 630иС. Применяется для изготовления труб.

Таблица 3.25

Механические свойства и характеристики свариваемости жаропрочных сталей мартенситного класса

Марка стали

Термическая обработка, сортамент

Температура испытаний, С

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость КСU, Дж/см2

12X13

3 (100-1050%), масло, О (700-790 °C)

20

590

390

20

100

20X13

3 (100—1050 С), масло, О (660-770 °C)

645

410

20

90

От (740-800%)

20

_

490

20

И (1000-1020%), О (730-750 %)

20

705

510

21

175

300

540

390

18

200

400

520

390

16,5

200

500

430

350

32

250

550

345

275

36

210

30X13

В состоянии поставки

20

490

20

И (1000%), О (650 С), 2-3 ч.

20

940

700

16

55

200

820

655

14

130

300

775

630

13

125

400

705

575

12,5

160

500

605

530

14

165

600

450

410

21

160

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Марка стали

Термическая обработка, сортамент

Температура испытаний, С

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Ударная вязкость КС и, Дж. см2

14Х17Н2

3 (1000-1050 °C), масло, О (275—350' С)

1080

830

10

50

15Х11МФ

Н (1080-1110 °C), О (720-740 °C)

20

750

560

18

150

400

600

480

15

190

450

560

440

19

200

500

520

430

21

210

550

540

440

16

200

600

450

410

20

210

Н (1080-1110 С), О (670-680 ПС)

20

850

690

15

150

400

750

640

13

140

450

650

570

15

160

500

590

530

18

150

550

590

530

14

130

600

540

510

17

140

15Х12ВНМФ

3 (1100-1150°С), воздух, О (650—750 %)

685-930

490-785

23-12

150-60

18Х11МНФБ

3 (1100 ' С), воздух, О (680-710 °C)

785-880

665-735

15-13

100-60

14Х12В2МФ

3 (1020—1050“С), воздух, О (720—730 °C)

685-735

490-585

25-17

220-60

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

и бором. В этом случае для сохранения аустенитной структуры количество никеля повышают до 14%. Оптимальная структура получается после закалки при температурах 1100—115O'JС и старения полученного аустенита при 700—800 °C для выделения карбидов.

Наибольшую жаропрочность имеют аустенитные стали с интерметал-лидным упрочнением, например 10X11Н20ТЗР. Для этого наряду с хромом и никелем эти стали легируют в небольшом количестве алюминием, титаном, ниобием и танталом, что обеспечивает выделение интерметаллидных фаз типа Ni.sAI. Их также упрочняют закалкой и старением при температурах 700—800°С в течение 15—20 ч. Достоинством высоколегированных аустенитных сталей являются их одновременно высокая коррозионная стойкость в различных средах и кислотостойкость во многих минеральных и органических кислотах и щелочах.

Важное условие для обеспечения коррозионно-стойких свойств — фазовая и структурная однородность. Наличие карбидов хрома и других элементов неблагоприятно сказывается на коррозионной стойкости этих сталей.

Помимо жаропрочности и коррозионной стойкости аустенитные стали имеют высокие вязкость и ударостойкость, хладостойкость (сохраняют вязкость до —120°C и даже до —160°C).

В табл. 3.26 и 3.27 приведены химический состав, назначение и механические свойства наиболее часто используемых жаропрочных сталей аустенитного класса.

Экономнолегированные хромоникелевые ферритно-аустенитные стали являются полноценными заменителями высоконикелевых аустенитных сталей, и их использование в качестве коррозионно-стойких материалов позволяет уменьшить на 40—50 % потребление дефицитного никеля, увеличить долговечность химического оборудования, снизить затраты на его ремонт, а в ряде случаев существенно повысить качество изготавливаемой продукции за счет большей коррозионной стойкости используемых материалов. Среди коррозионно-стойких ферритно-аустенитных сталей наибольшее распространение получили стали с содержанием никеля 4—6 %. Никель расширяет область существования аустенита и придает сталям большую пластичность. Уменьшение содержания никеля до 4 % практически не оказывает влияния на коррозионную стойкость сталей в большинстве агрессивных сред. Ферритно-аустенитные стали в 1,5—2 раза прочнее аустенитных. Поэтому при изготовлении химических аппаратов из экономнолегированных сталей можно снизить их металлоемкость. Это обусловливает дополнительную экономию ииксля. Двухфазные стали, кроме повышенной прочности, имеют меньший коэффициент термического расширения и большую теплопроводность, чем аустенитные стали, однако пластичность и жаропрочность экономно-легированных сталей ниже.

Таблица 3.26

Химический состав жаропрочных сталей аустенитного класса

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Прочие

08Х16Н14М2Б

0,06-0,1

0,8

1,0

0,035

0,02

15-17

12,5-14,5

Мо — 2,0-2,5 Nb —0,9-1,3

08Х18Н10

0,04-0,08

0,8

1-2

0,035

0,02

17-19

9-11

12Х18Н9

0,12

0,8

2

0,035

0,02

17-19

8-10

12Х18Н9Т

0,12

0,8

2

0,035

0,02

17-19

8-9,5

Ti —5% С —<0,8

20Х20Н14С2

0,2

2-3

1,5

0,035

0,025

19-22

12-15

45Х14Н14В2М

0,4-0,5

0,8

0,7

0,035

0,02

13-15

13-15

Мо — 0,25-0,4 W — 2-2,8

ХН32Т

0,05

0,7

0,7

0,03

0,02

19-22

30-34

Ti —0,25-0,6 Al — 0,5

10Х14Г14Н4Е

0,1

0,8

13-15

0,035

0,02

13-15

2,8-4,5

Ti — 5 % С —<0,6

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Назначение жаропрочных сталей аустенитного класса (к табл. 3.26)

  • 08Х16Н14М2Б используется как сталь аустенитного класса, жаропрочная до 700 С, коррозионно-стойкая. Применяется для изготовления сварных корпусов, днищ, фланцев, крепежных деталей, труб и трубных пучков, змеевиков, патрубков, работающих при температурах от —196 до I 700 С под давлением в серной, уксусной, фосфорной и других средах повышенной агрессивности.
  • 08Х18Н10 используется как сталь аустенитного класса, жаропрочная до 600 С, коррозионно-стойкая. Применяется для изготовления труб, деталей печной арматуры, теплообменников, муфелей, реторт, патрубков, коллекторов выхлопных систем, сварных баллонов для кислорода, сварных аппаратов и сосудов химического машиностроения, работающих при температурах от —196 до 600 С в средах средней агрессивности при разных концентрациях.
  • 12Х18Н9 используется для элементов оборудования первичной переработки нефти и установок термического и каталитического крекинга, работающих при температурах до 600 С. Применяется в виде холоднокатаных листов и лент повышенной прочности для изготовления труб и других деталей, а также в сварном исполнении (точечная и дуговая сварка) для условий, где нет требований по стойкости против межкристаллитной коррозии. Эти стали могут заменять в изделиях стали марок 20X1ЗН14Г9, 12Х17Г9Н4, 10Х14Г14Н4Т.
  • 12Х18Н9Т изготовление свариваемой аппаратуры, труб, деталей печей, теплообменников, муфелей, выхлопных систем, листовых и сортовых деталей. Рабочая температура от —196 до 600 'С без агрессивных сред и с агрессивными средами до температуры 350 С. Заменяют стали 10Х14П4Н4Т, 12Х17Г9АН4, 12X18HI0T. Может применяться там же, где и сталь 12Х18Н9, но при наличии требований к стойкости против межкристаллитной коррозии сварных соединений.
  • 20Х20Н14С2 изготовление печных опорных деталей, муфелей, конвейеров и др.
  • 45Х14Н14В2М изготовление элементов ректификационной колонны, печей вакуумной трубчатой установки, крепежных деталей печей для подогрева нефти и нефтепродуктов, крепежных деталей аппаратуры высокотемпературных процессов, валов центробежных насосов.

ХН32Т — изготовление газоотводящих труб, элементов пиролизных установок для температур до 850 С, крепежных деталей, пружин для длительной работы при температуре до 700 С, листовых деталей высокотемпературных установок в нефтехимическом машиностроении с длительным сроком службы при температуре 700—850 С. Сплавы обладают высокой жаростойкостью на воздухе до температуры 1000°С.

10Х14Г14Н4Е — используется как жаропрочная сталь до 700яС в воздушной среде, коррозионно-стойкая. Применяется для изготовления деталей печей, корпусов, регенераторов, днищ и обечаек сосудов и аппаратов кислородного машиностроения, оборудования молочных и спиртоводочных заводов. Используется как заменитель 12Х18Н10Т для изготовления деталей, работающих в слабо агрессивных средах, органических кислотах невысоких концентраций и умеренных температур.

Таблица 3.27

Механические свойства и характеристики свариваемости жаропрочных сталей аустенитного класса

Марка стали

Термическая обработка, сортамент

Температура испытаний, С

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Предел ползучести для 1 %, МПа, за 10 000 ч

08Х16Н14М2Б

3 (1050—1100 С), масло

20

510

215

37

08Х18Н10

3 (1050-1100%), масло, вода

20

570

205

70

400

410

105

69

600

335

80

58

700

235

75

36

12Х18Н9

3 (1050-1110 С), вода, возможно масло

20

230

46

66

200

180

36

68

300

160

29

66

400

150

26

61

118

500

140

30

60

550

140

31

61

48

650

120

27

52

700

120

20

40

12Х18Н9

3 (1050 С), воздух

600

100

700

15

800

5

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Продолжение табл. 3.27

12Х18Н9Т

3 (1050-1110 С), вода, возможно масло

20

620

280

41

300

460

200

31

400

450

180

31

500

450

180

29

550

600

400

180

25

74-78 (за 100000 ч)

700

280

160

26

800

180

100

35

20Х20Н14С2

3 (1100 С), вода

20

640

400

33

700

310

210

36

750

270

160

39

800

230

100

41

900

НО

40

49

45Х14Н14В2М

3 (1150-1200 С), Ст (650-750 °C, 5 ч)

550

580

260

22

600

500

250

15

180

650

440

240

12

130

700

340

220

10

26

750

280

200

_

8,8

3.6. Износостойкость различных групп сталей

Марка стали

Термическая обработка, сортамент

Температура испыта-нии, С

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Предел ползучести ДЛЯ 1 %, МПа, за 10 000 ч

ХН32Т

3 (1100—1150 АС), воздух

20

480

180

40

Предел длительной прочности, МПа, за 10000 ч.

650

55

700

38

750

27

800

15

10Х14Г14Н4Е

3 (1080 °C) вода

20

480

195

59

200

410

175

45

300

400

145

43

  • 400
  • 500
  • 400
  • 380
  • 145
  • 135
  • 41
  • 40

1 1

600

325

115

35

10

700

245

105

38

3

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

* Н — нормализация, О — отпуск, 3 — закалка, От — отжиг.

Хромоникелевые ферритно-аустенитные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в широком перечне сред окислительного и окислительно-восстановительного характера. В сопоставимых условиях испытания двухфазные стали имеют близкую, а в некоторых случаях более высокую сопротивляемость межкристаллитной коррозии по сравнению с аустенитными сталями. Присутствие в сталях 5-фсррита способствует повышению стойкости к коррозионному растрескиванию, что выгодно отличает феррито-аустенитные стали от аустенитных. Высокая механическая прочность, достаточная пластичность, коррозионная стойкость объясняют повышенный интерес к экономнолегированным сталям как перспективным материалам для производства различных химических аппаратов. Ферритно-аустенитные стали были разработаны как заменители высоконикелевых сталей аустенитного класса. Наличие двухфазной структуры придаст сталям данного класса свойства, которые характерны для ферритных и аустенитных сталей в отдельности, но в то же время они обладают рядом особых свойств, которые определяют самостоятельные области их применения. Химический состав и механические свойства наиболее распространенных двухфазных сталей приведены в табл. 3.28 и 3.29.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435) относятся к высокоуглеродистым нелегированным сталям с содержанием углерода от 0,7 до 1,2%. Маркировка этой группы сталей состоит из буквы У и цифр, показывающих среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для высококачественных сталей в конце маркировки ставится буква А.

Углеродистые инструментальные стали типа У8, У10, У12А относятся к эвтектоидным и заэвтсктоидным сталям, основной механической характеристикой рабочих свойств которых является высокая твердость. Для ее получения стали закаливают, однако глубина закалки небольшая вследствие низкой прокаливаемости этой группы сталей. Структура после закалки — мартенсит, для заэвтектоидных — мартенсит с цементитом. Отпуск назначают в зависимости от назначения инструмента и требуемой твердости. Высокая твердость закаленной углеродистой стали сохраняется при рабочих температурах до 200—250°C. Химический состав и механические свойства наиболее распространенных углеродистых инструментальных сталей приведены в табл. 3.30.

Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950) относятся к группе углеродистых низко- и среднелегированных сталей, содержание углерода в которых находится в пределах от 0,4 до 1,2 %, а основным легирующим элементом является хром (9X5, 11ХФ, 5ХНМ, 8Х6НФ, Х12). Первые цифры в маркировке этих сталей показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода 1 % цифровое обозначение углерода в маркировке отсутствует. Наличие легирующих элементов маркируется буквами согласно табл. 3.15. Цифры после букв,

Таблица 3.28

Химический состав сталей аустенитно-ферритного класса

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Ni

Прочие

08Х22Н6Т

0,08

0,8

0,8

21-23

5,3-6,3

Ti — 5 % С — 0,65

12X21Н5Т

0,09-0,14

0,8

0,8

20-22

4,8-5,8

Ti —0,25-0,5

1

09X17Н7Ю

0,09

0,8

0,8

0,03

0,02

16-17,5

7-8

Al —0,5-0,8

08Х18Г8Н2Т

0,08

0,8

7-9

17-19

1,8-2,8

Ti—0,2-0,5

08Х18Г8НЗМ2Т

0,08

0,8

7-9

17-19

2,8-3,5

Ti—0,2-0,4

Назначение сталей аустенитно-ферритного класса

  • 08Х22Н6Т изготовление сварного оборудования в производстве слабой азотной кислоты (не более 60—80%), выпарки и нейтрализации калийной и аммиачной селитры, карбамида (70—80% при 100'С), фосфорной кислоты (не более 65% при 85|:С) и других аналогичных по коррозионной активности сред.
  • 12Х21Н5Т используется для аппаратов, применяемых при производстве смол, лаков, красок, уксусной кислоты и сульфата аммония.
  • 09Х17Н7Ю сталь повышенной прочности. Применяется для изготовления деталей, работающих в морской воде, упругих элементов, пружин.
  • 08Х18Г8Н2Т изготовление сварного оборудования, работающего в средах средней агрессивности, в 50 %-ной азотной кислоте при температуре до 80 °C, в 25 %-ной фосфорной кислоте, 32 %-ной уксусной кислоте.

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Таблица 3.29

Механические свойства сталей аустенитно-ферритного класса

Марка стали

Термическая обработка*

Толщина, мм

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

08Х22Н6Т

3 (950-1000’С), воздух

^60

345

540

25

61-100

345

540

25

12Х21Н5Т

3 (1050 °C), воздух

^4

685

440

18

  • 1
  • 09Х17Н7Ю

3 (1000-1050 С) воздух, о/х (-70 С), Ст (350-400 С), 2 ч.

80

1080

880

12

08Х18Г8Н2Т

3 (1000-1050 °C), вода

4-50

688

340

40

  • * Н — нормализация, О — отпуск, 3 — закалка, От — отжиг.
  • 3.6. Износостойкость различных групп сталей

Таблица 3.30

Химический состав и механические свойства углеродистых инструментальных сталей

Марка стали

Химический состав, %

Механические свойства

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Термическая обработка*

Твердость, HRC

У8,

У8А

0,75-0,84

0,17-0,33

0,17-0,33

0,03

0,02

Закалка (750-800 аС, вода) + НО

58-65

У10,

У10А

0,95-1,04

0,15-0,35

0,15-0,35

0,035

0,03

0,15

Закалка (770—780° С, вода) 4- НО

62-64

У12,

У12А

1,15-1,24

0,15-0,35

0,15-0,35

0,035

0,03

0,15

Закалка (770-790 °C, вода) + НО

62-64

Назначение углеродистых инструментальных сталей

У8, У8А — используется после закалки и низкого отпуска и предназначается для изготовления различного мерительного и режущего инструмента, а также изделий, работающих в условиях абразивного изнашивания без ударных воздействий, таких, как штуцера, элементы землеройного инструмента и др.

У10, У10А — используется после закалки и низкого отпуска и предназначается для изготовления различного деревообрабатывающего инструмента: пилы, сверла, штампов для холодной штамповки небольших размеров, калибров простой формы, ходовых винтов и др.

У12, У12А — используется после закалки и низкого отпуска и предназначается для изготовления штампов для холодной штамповки, холодновысодочных пуассонов, пресс-форм для пластмасс и др.

Глава 3. Легирование стали для повьииения прочности деталей машин

обозначающих легирующий элемент, показывают округленное содержание этого элемента в стали в целых процентах.

Отдельным видом в этой группе сталей можно выделить шарикоподшипниковые стали, выпуск которых регламентирует ГОСТ 801. Эти стали маркируются буквой Ш, обозначающей, что сталь шарикоподшипниковая, затем следует буква X, обозначающая наличие хрома (например, ШХ9, ШХ15). Цифры после нее показывают среднее содержание хрома в десятых долях процента. Заканчивается маркировка указанием вида переплава: С — сталь выплавлена в дуговой вакуумной печи, Ш — электрошлаковой, П — двойной переплав в электрошлаковой и дуговой вакуумной.

Содержание углерода в инструментальной стали существенным образом влияет на ее назначение. Инструментальные легированные стали с доэвтек-тоидным содержанием углерода преимущественно используются в условиях воздействия динамических нагрузок, например для изготовления штампового инструмента. Увеличение концентрации углерода в стали до 0,8 % и выше приводит к постепенному снижению доли динамического воздействия на поверхность детали.

Эвтектоидные и заэвтектоидные инструментальные легированные стали применяются преимущественно для изготовления инструмента с высокой прочностью и сопротивлением изнашиванию при трении со значительными контактными нагрузками.

Легирование хромом в небольшом количестве повышает вязкость и про-каливаемость стали, обеспечивает возможность ее применения при более высоких температурах. Увеличение содержания хрома свыше 6 % приводит к появлению в фазовом составе стали карбидов хрома, повышающих ее твердость. Помимо хрома стали этой группы легируются в небольших количествах (до 1—2%) и другими карбидообразующими элементами.

Химический состав и механические свойства наиболее распространенных легированных инструментальных сталей приведены в табл. 3.31.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265) — это высокоуглеродистые высоколегированные стали, применяемые для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Маркировка быстрорежущих сталей начинается буквой Р (рапид — скорость). Основной легирующий элемент для этой группы сталей — вольфрам. Поэтому его количество обозначается цифрами, характеризующими содержание вольфрама в целых процентах, после буквы Р. Далее соответствующими буквами и цифрами в целых процентах маркируются другие легирующие элементы, присутствующие в стали. Содержание хрома во всех марках находится в пределах 4 % и маркировке не подвергается. Содержание углерода близко к эвтектоидному, однако из-за высокого содержания вольфрама сталь относится к ледебуритному классу. После отжига образуется перлит и карбидная сетка (до 25—30 %) по границе зерен.

Таблица 3.31

Химический состав и механические свойства легированных инструментальных сталей

Марка стали

Химический состав, %

Механические свойства

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Прочие

Термическая обработка*

Твердость, HRC

ЗХ2В8Ф

0,3-0,4

0,15-0,4

0,15-0,4

0,03

0,03

2,2-2,7

W — 7,9-9

V — 0,2-0,5

3 (1120-1160°С, масло) + НО

54-56

5ХВ2С

0,45-0,54

0,5-0,8

0,15-0,4

0,03

0,03

1-1,3

V —2,0-2,5

3 (850-900 °C, масло) + НО

53-58

9ХС

0,85-0,95

1,2-1,6

0,3-0,6

0,03

0,03

0,95-1,25

3 (860-880°С, масло) + НО

62-65

Х6ВФ

1,05-1,15

0,15-0,35

0,15-0,4

0,03

0,03

5,5-7

W —

1,1-1,5

V —0,4-0,7

3 (950-970 °C, масло) + НО

63-64

ШХ15

0,9-1,1

0,15-0,35

0,2-0,4

0,03

0,03

1,3-1,65

V — 0,7-0,9

3 (830-850 °C, масло) + НО

62-65

Х12Ф1

1,2-1,45

0,15-0,35

0,15-0,4

0,03

0,03

11-12,5

V — 0,7-0,9

3 (1060-1080°C, масло) + НО

62-64

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Назначение свойства легированных инструментальных сталей (к табл. 3.31)

ЗХ2В8Ф — изготовление тяжелонагруженных штамповых инструментов, работающих при высоком удельном давлении и разогреве поверхности до температуры 600—700 С, пресс-форм для литья под давлением сплавов на медной основе, ножей для резки металла в горячем состоянии.

  • 5ХВ2С изготовление штампов сложной формы, работающих с повышенными ударными нагрузками, ножей для резки холодного металла, пресс-форм для литья под давлением.
  • 9ХС изготовление инструментов, предназначенных для ручных работ (сверла, плашки, клейма для холодных работ).

Х6ВФ — изготовление инструментов с высокой механической прочностью и сопротивлением изнашиванию (накатные плашки, накатники для холодной накатки зубчатых колес), деревообрабатывающего инструмента, нагрев режущих кромок которого нс превышает 300—400 С.

ШХ15 — изготовление элементов шариковых и роликовых подшипников, инструмента с повышенной износостойкостью без значительного разогрева рабочей поверхности (калибры, кулачки, резцы и др.).

Х12Ф1 — изготовление накатных плашек, роликов, деревообрабатывающего инструмента и др.

Для получения рабочих свойств быстрорежущую сталь подвергают закалке. Нагрев производят до температур, обеспечивающих растворение части карбидов и перехода легирующих элементов в аустенит (до 1250— 1290IJС). Это обеспечивает после закалки формирование высоколегированного мартенсита с высоким уровнем красностойкости и способностью сохранять механические характеристики при рабочих температурах в пределах 600—640''С. Охлаждение проводят поэтапно, с одним или двумя промежуточными подогревами во избежание трещин. Структура после закалки — мартенсит-карбиды-аустенит (до 25—30 %). Остаточный аустенит после закалки переводят в мартенсит либо трехкратным отпуском (550—570°C), сопровождающимся выделением мелких карбидов, либо обработкой холодом (при —80°С).

Химический состав и механические свойства наиболее распространенных быстрорежущих инструментальных сталей приведены в табл. 3.32.

Мартенситно-стареющие стали — это особый класс высокопрочных материалов, превосходящих по конструктивной прочности и технологичности рассмотренные выше углеродистые стали. Их основа — без-углсродистыс (<0,03% С) сплавы железа, легированные в значительном количестве 8—25 % Ni, Сг и Со. Высокая прочность этих сталей достигается принципиальным изменением моделей упрочнения по сравнению с углеродистой сталью. В углеродистой стали упрочняющая, но в то же время и охрупчивающая модель основана на создании различных растворов углесс

Таблица 3.32

Химический состав и механические свойства быстрорежущих инструментальных сталей

Марка стали

Химический состав, %

Механические свойства

С

Si

Мп

Р

S

Сг

Прочие

Термическая обработка*

Твердость, HRC

-----------------------------------------------------1

Р9

0,85-0,95

0,4

0,4

0,03

0,03

3,8-4

W — 8,5-10 V —2-2,5

3 (1230-1250 с С, масло) + ВО (3 раза по 1 ч)

62

Р9Ф5

1,4—1,5

0,4

0,4

0,03

0,03

3,8-4,4

W —9-10,5

V —4,3-5,1

3 (1250' С, масло) + ВО (3 раза по 1 ч)

65

Р12

0,8-0,9

0,4

0,4

0,03

0,03

3,1-3,6

W — 12-13 V— 1,3-1,9

3 (1240-1260 °C, масло) + ВО (3 раза по 1 ч)

62

Р18

0,7-0,8

0,4

0,4

0,03

0,03

3,4-4,4

W — 17,5-19 V— 1-1,4

3 (1260-1280 °C, масло) + ВО (3 раза по 1 ч)

62

Р18Ф2

0,85-0,95

0,4

0,4

0,03

0,03

3,8-4,4

W— 17,5-19 V — 1,8-2,4

3 (1270-1290 °C, масло) + ВО (3 раза по 1 ч)

65-66

Глава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин

Назначение быстрорежущих инструментальных сталей (к табл. 3.32)

Р9 — применяется для изготовления сверл, фрез, зенкеров, пил и другого инструмента, режущие кромки которого нагреваются во время работы до температуры 600°С.

Р9Ф5 — применяется для изготовления протяжек, разверток и другого инструмента, предназначенного для отделочной обработки жаропрочных сталей, сталей повышенной твердости, эбонита и др.

Р12 — применяется для изготовления резцов, сверл, фрез червячного и дискового и другого инструмента, режущие кромки которого нагреваются во время работы до температуры 600 аС.

Р18 — применяется для изготовления резцов, сверл, фрез червячного и дискового и другого инструмента, режущие кромки которого нагреваются во время работы до температуры 600°C.

Р18Ф2 — применяется для изготовления резцов, фрез червячных, ножей, плашек и другого инструмента, предназначенного для обработки твердых материалов.

рода в железе. Главный эффект упрочнения мартенситно-стареющей стали достигается за счет микровыделений интерметаллидов — химических соединений легирующих элементов с железом и между собой. Матрица таких сталей после закалки представляет собой твердый раствор а-жслсза, прс-сыщенный элементами замещения. В результате специальной термической обработки (старения при температуре 450—550 аС) происходит распад этого раствора с выделением упрочняющих интерметаллидных фаз. Структурный состав мартенситно-стареющих сталей представляет собой реечный мартенсит, имеющий высокую плотность дефектов кристаллической решетки.

В настоящее время разработаны следующие группы мартенситно-стареющих сталей:

  • — на основе системы Fe—Ni с содержанием Ni от 8 до 20 %. С повышением содержания никеля увеличивается сопротивление хрупкому разрушению благодаря легкой подвижности дислокаций в железоникелевой матрице;
  • — на основе системы Fe—Ni—Со с содержанием Со 9—16%. Легирование кобальтом способствует протеканию процесса упорядочивания в системе Fe—Со, и повышается теплостойкость матрицы;
  • — на основе системы Fe—Сг—Со. В хромосодержащих сталях наряду с процессом старения происходит расслоение твердого раствора с образованием микрозон (10—ЗОА), обогащенных хромом, что способствует дополнительному упрочнению;
  • — на основе системы Fe—Сг—Ni, что позволяет наряду с общим комплексом свойств обеспечить достаточную коррозионную стойкость стали.

Для более эффективного образования интерметаллидных фаз мартен-ситно-стареющие сплавы дополнительно легируют следующими элемента ми, расположенными по убыванию упрочняющего воздействия: Ti, Be, Al, W, Mo.

Никель стабилизирует у-твердый раствор, сильно снижая температуру (у ^2 а)-превращения, которое даже при невысоких скоростях охлаждения протекает по мартенситному механизму. Мартенситно-стареющие стали закаливают после нагрева до температуры 800—860°C на воздухе. При нагреве легирующие элементы Ti, Вс, AI, Си, Мо, обладающие ограниченной и переменной растворимостью в Ot-Fe, переходят в у-раствор и при охлаждении не выделяются. Закалка фиксирует перенасыщенный железоникелевый мартенсит. Благодаря высокому содержанию никеля, кобальта и малой концентрации углерода дислокации в нем обладают высокой подвижностью. Последнее позволяет деформировать стали с большими степенями обжатия.

Основное упрочнение достигается старением при температуре 480— 520 °C, когда из мартенсита выделяются мелкодисперсные частицы вторичных фаз (NisTi, NiAl, БегМо, NisMo и др.), когерентно связанные с матрицей. Наибольшее упрочнение при старении вызывают Ti и А1, меньшее — Си и Мо. При увеличении температуры старения выше оптимальной механические свойства ухудшаются за счет охрупчивания грубыми выделениями.

Другое важное достоинство сталей этого класса — высокая технологичность. Они обладают неограниченной прокаливаемостью, хорошо свариваются, до старения легко деформируются и обрабатываются резанием. При термической обработке практически не происходит коробления и исключено обезуглероживание. Стали со стареющим мартенситом, несмотря на высокую стоимость, применяют для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и как пружинный материал в приборостроении.

Химический состав и механические свойства наиболее характерных мартенситно-стареющих сталей приведены в табл. 3.33 и 3.34.

Таблица 3.33

Химический состав мартенситно-стареющих сталей

Марка стали

Химический состав, %

С

Ni

Со

Мо

Ti

Сг

А1

03Н18К9М5Т

<0,03

18

9

5

03Н12К15М10

<0,03

12

15

10

03Х11Н10М2Т

<0,03

10

2

0,9

11

0,2

Метастабильные аустенитные стали (трипстали) — новый класс высокопрочных материалов повышенной пластичности. Они относятся к высоколегированным сталям и маркируются аналогично легированным конструкционным сталям. Ориентировочный состав трипстали можно выТаблица 3.34

Механические свойства мартенситно-стареющих сталей

Марка стали

Временное сопротивление разрыву, МПа

Предел текучести, МПа

Относительное удлинение, %

Относительное сужение, о/ /о

Ударная вязкость, КС и . кст, Дж/см2

03Н18К9М5Т

2100

1900

8

50

50/20

03Н12К15М10

2500

2400

6

30

30/—

03Х11Н10М2Т

1600

1550

8

50

50/20

разить в виде 25Н25М4Г, 30Х9Н8М4Г2С2. Его подбирают таким образом, чтобы после закалки при температуре 1000—1100°С стали имели устойчивую аустенитную структуру. Температура начала мартенситного превращения (Мн) лежит ниже 0°С.

Аустенитная структура обладает высокой вязкостью, но низким пределом текучести. Для упрочнения трипстали подвергают специальной тепловой обработке — пластической деформации с большими степенями обжатия (50—80 %) при температуре 400—600'-'С, т. с. ниже температуры рекристаллизации. При этом деформационное упрочнение (наклеп) совмещается с карбидным упрочнением, развивающимся в результате деформационного старения. Насыщенная дислокационная структура, создаваемая пластической деформацией, дополнительно стабилизируется выделяющимися дисперсными частицами карбидов. В результате деформационно-термического упрочнения предел текучести повышается до 1800 МПа. При этом сталям свойственны высокая пластичность (>20 %) и трещиностойкость. Высокая пластичность и вязкость разрушения обусловлены развитием мартенситного превращения в процессе деформирования. При тепловой обработке аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами и становится менее устойчивым (метастабильным). Благодаря этому повторная пластическая деформация вызывает превращение мстастабильного аустенита в мартенсит деформации.

Механизм повышения пластичности и вязкости разрушения связан с «залечиванием» — локальным упрочнением аустенита на участках пластического течения (в том числе и у вершин движущейся трещины). Образующийся на таких участках мартенсит деформации упрочняет их настолько, что они перестают быть слабыми участками и деформация распространяется на соседние участки. Применение мстастабильных сталей ограничивается сложностью деформационно-термического упрочнения. Для высоких степеней деформации при низких температурах требуются мощные деформирующие средства. Области применения сталей — детали авиаконструкций, броневой лист, проволока тросов и др.

Высокая способность марганцевого аустенита к деформационному упрочнению использована при разработке хромомарганцевых нестабильных аустенитных сталей с высокой кавитационной стойкостью [31]. Мартенситное превращение в хромомарганцевых сталях развивается под действием гидравлических ударов, вызывающих деформацию поверхностного слоя и появление мартенсита. Химический состав и механические свойства мс-тастабильных сталей представлены в табл. 3.35.

Высокомарганцевые стали, наиболее характерным представителем которых является сталь Гадфильда (110Г13), — это высокоуглеродистые стали аустенитного класса, предназначенные для изготовления деталей машин, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. Эти стали обладают высокой способностью к наклепу в процессе холодной пластической деформации. Как правило, соотношение Mn/С в этих сталях должно быть не менее 10, благодаря чему они обладают относительно устойчивой аустенитной структурой. Мартенсит деформации в процессе наклепа в высокомарганцевых сталях не обнаруживается. Высокая износостойкость достигается за счет сочетания высокой ударной вязкости (2,0—3,0 МДж/м2) и хорошей пластичности с высокой твердостью наклепанной поверхности, которая может возрастать до 550—600 НВ.

В табл. 3.36 приведены химический состав, назначение и механические свойства стали Гадфильда, которая предназначена для работы в условиях активного изнашивающего воздействия абразива при сильных ударах и высоких удельных давлениях, например ножи бульдозера, клыки экскаватора, наконечники рыхлителей.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >