Улучшение обрабатываемости достигается модифицированием кальцием (вводится в жидкую сталь в виде силикокальция), который глобулизирует сульфидные включения, что положительно влияет на обрабатываемость, но не так активно, как сера и фосфор.
Сера образует большое количество сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают смазывающее действие, нарушая при этом сплошность металла. Фосфор повышает хрупкость феррита, облегчая отделение стружки металла во время процесса резания. Оба эти элемента способствуют уменьшению налипания на режущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой поверхности.
Однако необходимо помнить, что повышение содержания серы и фосфора снижает качество стали. Стали, содержащую серу, имеют ярко выраженную анизотропию механических свойств и пониженную коррозионную стойкость.
Стали А11, А12, А20 используют для крепежных деталей и изделий сложной формы, не испытывающих больших нагрузок, но к ним предъявляются высокие требования по точности размеров и чистоты поверхности.
Стали А30 и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения.
Свинец содержащие стали широко применяют для изготовления деталей двигателя.
В автоматных селено содержащих сталях повышается обрабатываемость за счет образования селенидов, сульфоселенидов, которые обволакивают твердые оксидные включения и тем самым устраняют их истирающее действие. Кроме того, селениды сохраняют глобулярную форму после обработки давлением, поэтому практически не вызывают анизотропии свойств и не ухудшают коррозионную стойкость стали, как сера. Применение этих сталей снижает расход инструмента в два раза и до 30 % повышает производительность.
2.3 Конструкционные низколегированные стали
Низколегированные стали, содержат до 2,5 % легирующих элементов. Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двузначные цифры, указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Следующие после буквы цифры указывают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента (при содержании 1-1,5 % и менее цифра отсутствует).
К данной группе относят, стали с содержанием углерода 0,1-0,3 %, обеспечивающие после химико-термической обработки, закалки и низкого отпуска высокую поверхностную твердость при вязкой, но достаточно прочной сердцевине. Эти стали, используют для изготовления деталей машин и приборов (кулачков, зубчатых колес и др.), испытывающих переменные и ударные нагрузки и одновременно подверженных износу.
2.4 Конструкционные цементуемые стали
Карбидо- и нитридообразующие элементы (такие, как Cr, Mn, Mo и др.) способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твердости, износостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость сердцевины и диффузионного слоя и снижает порог хладноломкости. Цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали по механическим свойствам подразделяют на две группы: стали средней прочности с пределом текучести менее 700 МПа (15Х, 15ХФ) и повышенное прочности с пределом текучести 700-1100 МПа (12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др.).
Хромистые (15Х, 20Х) и хромованадиевые (15ХФ) стали цементуются на глубину до 1,5 мм. После закалки (880 0С, вода, масло) и последующего отпуска (180 0С, воздух, масло) стали имеют следующие свойства: σв = 690-800 МПа, δ = 11-12 % , KCU = 0,62 МДж/м2.
Хромомарганцевые стали (18ХГТ, 25ХГТ), широко применяемые в автомобилестроении, содержат по 1 % хрома и марганца (дешевого заменителя никеля в стали), а также 0,06 % титана. Их недостатком является склонность к внутреннему окислению при газовой цементации, что приводит к снижению твердости слоя и предела выносливости. Этот недостаток устраняется легированием стали молибденом (25 ХГМ). Для работы в условиях изнашивания используют сталь 20ХГР, легированную бором. Бор повышает прокаливаемость, и прочность стали, но снижает ее вязкость и пластичность.
Хромоникельмолибденовая (вольфрамовая) сталь 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА) относится к мартенситному классу и закаливается на воздухе, что способствует уменьшению коробления. Легирование хромоникелевых сталей W или Mo дополнительно повышает их прокаливаемость. Причем Мо существенно повышает прокаливаемость цементованного слоя, в то время как хром и марганец увеличивают прежде всего прокаливаемость сердцевины. В цементованном состоянии данную сталь применяют для изготовления зубчатых колес авиационных двигателей, судовых редукторов и других крупных деталей ответственного назначения. Эту сталь используют также как улучшаемую при изготовлении деталей, подверженных большим статическим и ударным нагрузкам.
2.5 Конструкционные улучшаемые стали
Улучшаемыми называют такие стали, которые используются после закалки с высоким отпуском (улучшения). Эти стали (40Х, 40ХФА, 30ХГСА, 38ХН3МФА и др.) содержат 0,3-0,5 % углерода и 1-6 % легирующих элементов. Стали закаливают с 820-880 0С в масле (крупные детали – в воде); высокий отпуск производят при 500-650 0С с последующим охлаждением в воде, масле или на воздухе (в зависимости от состава стали). Структура стали после улучшения – сорбит. Данные стали применяют для изготовления валов, шатунов, штоков и других деталей, подверженных воздействию циклических или ударных нагрузок. В связи с этим улучшаемые стали должны обладать высоким пределом текучести, пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезу.
Стали относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300-400 0С. Из них изготавливают валы и роторы турбин, тяжело нагруженные детали редукторов и компрессоров.
2.6 Рессорно-пружинные стали
Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.
Стали для пружин и рессор содержат 0,5-0,75 % С; их также дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), хромом (до 1,2 %), ванадием (до 0,25 %), вольфрамом (до 1,2 %) и никелем (до 1,7 %). При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости.
Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако они могут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающим характеристики упругости и выносливости материала. Устранение указанных дефектов, а также повышение прокаливаемости и торможение роста зерна при нагреве достигается дополнительным введением в кремнистые стали хрома, ванадия, вольфрама и никеля.
Лучшими технологическими свойствами, чем кремнистые стали, обладает сталь 50ХФА, широко используемая для изготовления автомобильных рессор. Клапанные пружины делают из стали 50ХФА, не склонной к обезуглероживанию и перегреву, но имеющей малую прокаливаемость.
Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850-880 0С, отпуск 380-550 0С) обеспечивают получение высоких пределов прочности и текучести. Применяется также изотермическая закалка.
Максимальный предел выносливости получают при термической обработке на твердость HRC 42-48.
Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.
Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенитно-мартенситных (09Х15Н8Ю) и других сталей и сплавов.
2.7 Шарикоподшипниковые стали
Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.
При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15СГ (последующая цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента – 1,5 %). ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием и марганцем для повышения прокаливаемости. Отжиг стали на твердость порядка 190 НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии. Закалка деталей подшипника (шариков, роликов и колец) осуществляется в масле с температур 840-860 0С. Перед отпуском детали охлаждают до 20-25 0С для обеспечения стабильности их работы (за счет уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при 150-170 0С в течение 1-2 ч.
Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95 % С и 18 % Cr.