Характеристика сталей

1.  Рессорсно-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, вынослиости, 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%),

– никелем (до 1,7%);

При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, её 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 прижины делают из стали 50ХФА, не склонной к обезуглерожианию и перегреву, но имеющей малую прокаливаемость.

Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850–880°С, отпуск 380–550°С) обеспечивают получение высоких пределов прочности и текучести. Применяется также изотермическая закалка.

Максимальный придел 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), аустенситно-мартенситных (09Х156Н8Ю) и др. сталей и сплавов.

Изготовляют согласно ГОСТ 14959–79

Сталь: 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г, 55С2, 60С2, 70С3А, 60С2Г, 50ХГ, 50ХГА, 55ХГР, 50ХФА, 51ХФА, 50ХГФА, 55С2ГФ, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А, 70С2ХА.

Заменители некоторых марок стали:

Сталь 65Г – 70, У8А, 70Г, 60С2А, 9ХС, 50ХФА, 60С2, 55С2;

Сталь 50ХФА – 60С2А, 60ХГФА, 9ХС.

Назначение рессорсно-пружинной стали:

– 60С2, 60С2А – для рессор из полосовой стали толщиной 3 – 16 мм и пружинной ленты толщиной 0,08 – 3 мм; для витых пружин из проволоки диаметром 3 – 16 мм. Обрабатываются резанием плохо. Максимальная температура эксплуатации 250°С.

– 70ЗА – для тяжелонагруженных пружин ответственного назначения. Сталь склонна к графитизации.

– 50ХГ, 50ГА – для рессор из полосовой стали толщиной 3–18 мм. Обрабатывается резанием плохо.

– 50ХФА, 50ХГФА – для ответственных пружин и рессор, работающих при повышенной температуре (до 300°С), для пружин, подвергаемых многократным переменным нагрузкам.

– 60С2ХА – для крупных высоконагруженных пружин и рессор ответственного назначения.

– 60С2Н2А, 65С2ВА – для ответственных высоконагруженных пружин и рессор, изготовляемых из калиброванной стали и пружинной ленты.

 

2. 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 твёрдость 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 540–560°С. Перед отпуском детали охлаждают до 20–25°С для обеспечения стабильности их работы (за счет уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при 150–170°С в течении 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% Сr.

Изготавливается согласно ГОСТ 801–78.

Сталь: ШХ15, ШХ4, ШХ15СГ, ШХ20СГ.

В обозначении марок стали буквы и цифры означают:

– Ш в начале марки – подшипникова;

– Х – легированная хромом;

– 4, 15, 20 – массовая доля хрома (0,4%: 1,5%; 2,0%);

– СГ – легированная кремнием и марганцем;

– Ш в конце марки – полученная методом электрошлакового переплава;

– В в конце марки – изготовленная вакуумированием.

Сталь изготовляют круглого, квадратного и прямоугольного сечений в прутках, полосах и мотках.

Горячекатаная и калибрированная сталь по требованиям к качеству поверхности в зависимости от дальнейшей обработки подразделяется на группы:

– ОХ – для холодной механической обработки (обточка, фрезерование, выточка и др.);

– ОГ – для горячей обработки давлением;

– ХВ – для холодной высадки;

– ХШ – для холодной штамповки;

По состоянию материала:

– без термической обработки;

– термически обработанная (отожженная) – О.

Назначение: для изготовления деталей, работающих под воздействием сосредоточенного и переменного напряжений, возникающих в зоне контакта шариков и роликов с беговыми дорожками колец подшипников качения.

Основные требования определяются назначением:

1.  Высокая статическая грузоподъемность, т.е. способность выдерживать высокую нагрузку с минимальной деформацией (< 0,01%).

2.  Высокая контактная усталостная прочность. Зависит, прежде всего, от наличия в стали неметаллических включений. Они, обладая высокой хрупкостью, разрушаются и дают начало для появления усталостной трещины, поэтому, для повышения стойкости стали против контактной усталости, применяют дополнительную очистку стали от вредных примесей.

3.  Высокая твердость.

4.  Высокая износостойкость. Эти два требования зависят от содержания карбидов в стали. Наличие карбидов хрома влияет на твердость и износостойкость.

5.  Сквозная прокаливаемость. Глубина прокаленного слоя – 95% мартенсита. Для повышения прокаливаемости вводят Cr, Mn, Si. Si затрудняет распад мартенсита при отпуске. Это дополнительно сохраняет твердость.

3.  Автоматные стали

 

Автоматная сталь, сталь с повышенным содержанием серы и фосфора, предназначенная для изготовления деталей на металлорежущих скоростных станках-автоматах и полуавтоматах. Она производится в виде прутков и содержит в процентах:

– углерода – 0,08–0,45;

– кремния – 0,15–0,35;

– марганца – 0,6–1,55;

– серы – 0,08–0,30;

– фосфора – 0,05–0,16.

Повышенное содержание серы приводит к образованию включений (сульфида марганца и др.), расположенных вдоль волокон, что облегчает резание и способствует дроблению и лёгкому отделению стружки. Для этих же целей автоматная сталь иногда легирует свинцом и теллуром. Механические свойства вдоль волокон (в зависимости от марки стали и диаметра прутка) характеризуется следующими показателями: горячекатаные прутки – предел прочности sв = 420–750 Мн/м2 (42–75 кгс/мм2), относительное удлинение d = 14–22%, для холоднотянутых нагартованных прутков sв = 520–840 Мн/м2 (52–84 кгс/мм2), d = 6–17%. Механические свойства в поперечном волокну направлении существенно понижены. Пластичность и вязкость автоматной стали, благодаря присутствию серы и фосфора, ниже, чем у обычных углеродистых сталей. Свариваемость плохая. Детали из неё обычно применяются без термической обработки или только с отпуском для снятия напряжения. Используются главным образом для изготовления болтов, гаек, некоторых деталей автомобилей, приборов и пр.

Эти стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетании букв «АС». Чтобы не проявлялась красноломкость, в сталях увеличено количество марганца. Добавление в автоматные стали свинца, селена и теллура позволяет в 2–3 раза сократить расход режущего инструмента.

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 коррозийную 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.