11.2 Цементуемые (нитроцементуемые) стали

При работе деталей под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа для их изготовления применяют стали с содержанием углерода 0,1 – 0,3%, подвергая их цементации, закалке и низкому отпуску.

Твёрдость поверхности готовой детали должна составлять около HRC 58 -62, твёрдость сердцевины в пределах HRC 20 – 40.

В зависимости от степени упрочняемости сердцевины различают три группы цементуемых сталей: с неупрочняемой, слабо- и сильноупрочняемой сердцевиной.

К первой группе относятся углеродистые стали марок 10, 15, 20. Их применяют для малоответственных деталей небольших размеров. Под цементованным слоем при закалке аустенит превращается в феррито-цементитную смесь.

Вторую группу составляют низколегированные хромистые стали марок 15Х, 20Х, имеющие слабоупрочняемую сердцевину. Дополнительное легирование малыми добавками ванадия (сталь 15ХФ) позволяет получить более мелкое зерно, что улучшает пластичность и вязкость стали.

Стали третьей группы используют для изготовления деталей, испытывающих значительные ударные нагрузки, имеющих большее сечение или сложную конфигурацию или подвергающихся действию больших знакопеременных напряжений. Эти стали легируют хромом, марганцем, молибденом, титаном, ванадием, никелем, алюминием. Названные элементы способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твёрдости, износостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость сердцевины и диффузионного слоя и снижает порог хладноломкости. Легирование стали ванадием, титаном, алюминием, ниобием приводит к образованию дисперсных нитридов (YN, TiN и др.), карбидов (TiC, YC и др.), затормаживающих рост зерна аустенита. Уменьшение зерна способствует снижению хрупкости и повышению ударной вязкости стали. К данной группе относятся стали марок 25ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4МА, 20ХГНР и др.

11.3 Улучшаемые стали

Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей машин применяют легированные стали, подвергаемые и улучшению, т.е. закалке с высоким отпуском. Эти стали содержат 0,3 – 0,5% С, 1 – 6% легирующих элементов. Стали закаливают с 820 – 880⁰С в масле (крупные детали в воде), высокий отпуск производят при 500 – 650⁰С с последующим охлаждением в воде, масле или на воздухе (в зависимости от состава стали). Структура стали после улучшения – сорбит зернистый. Наличие легирующих элементов обеспечивает этим сталям хорошую прокаливаемость и уменьшают склонность к отпускной хрупкости ІІ рода.

Улучшение обеспечивает высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью. Так, простая и дешевая конструкционная легированная сталь 40Х после закалки с 860⁰С и отпуска при 500⁰С имеет следующие свойства: σ_в = 1000 МПа, σ_{0, 2} = 800МПа, δ = 10%, KCU = 500 КДж/м².

Для изготовления крупных изделий сложной формы, работающих при вибрационных и динамических нагрузках, применяются хромоникелевые стали марок 40ХН, 45ХН, 30ХН3А и др. Они содержат 0,5 – 0,8% хрома и 1 – 3% никеля. Отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью.

Хромистые и хромоникелевые стали склонны к отпускной хрупкости ІІ рода (обратимой), поэтому должны охлаждаться после высокого отпуска с большой скоростью (в воде или масле). Дополнительное легирование молибденом 0,2 – 0,5% (или вольфрамом 0,5 -0,8%) снижают склонность к отпускной хрупкости.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали (36Х2Н2МФА, 38ХН3МА и др.) являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий. Высокие свойства этих сталей достигаются вследствие их высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости (σ_в = 1000 – 1200 МПа, σ_{0, 2} = 950 – 1100МПа, δ = 12%, KCU = 0,8 МДж/м² ).

Из этих сталей изготавливают валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.