Детали из улучшаемых сталей подвергают закалке в масле и высокому отпуску. Такая термообработка называется улучшением. Закалка даёт мартенситную структуру. Мартенсит при высоком отпуске распадается на сорбит, сочетающий достаточную прочность с повышенной вязкостью. Такие детали хорошо работают в условиях динамических нагрузок.
Стали, легированные кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами и содержащие 0,5...0,65 %С, используются для изготовления пружин и рессор. Они подвергаются закалке и среднему отпуску на тростит, который обеспечивает хорошую упругость и прочность.
К перлитному классу принадлежат и шарикоподшипниковые стали. Это высокоуглеродистые стали, легированные небольшим количеством хрома (не более 1,5 %). Закалка и низкий отпуск обеспечивают им мартенситную структуру, прочность и износостойкость.
Кроме деталей машин из легированных сталей перлитного класса с высоким содержанием углерода (более 0,8 %) изготавливают режущий и мерительный инструмент. Такой инструмент подвергается неполной закалке и низкому отпуску. Приобретая высокую твёрдость и износостойкость, инструмент, однако, не обладает достаточной теплостойкостью. Некоторые марки перлитных сталей используют для изготовления инструмента для горячего деформирования. Пониженное по сравнению с другими инструментальными сталями содержание углерода (от 0,3 до 0,7%) позволяет получить достаточную вязкость, т.к. такой инструмент часто работает с ударными нагрузками.
Легирующие элементы в сталях перлитного класса не оказывают существенного влияния на структуру. В основном они способствуют увеличению прокаливаемости и тем самым дают возможность получить высокие механические свойства в деталях больших сечений.
Среди сталей мартенситного класса широкое применение находят стали, содержащие около 13 % хрома и до 0,4 % углерода. При содержании хрома более 12,5 % сталь становится коррозионностойкой. Стали этой группы хорошо сопротивляются атмосферной коррозии и коррозии в среде водяного пара, т.е. являются нержавеющими из них изготавливают различные детали машин, требующие повышенной прочности и коррозионной стойкости, а также некоторые виды инструмента. Упрочнение достигается закалкой в масле или на воздухе на структуру мартенсита. Отпуск в зависимости от назначения может быть высоким (для деталей машин) или низким (для инструмента).
Набольшее применение среди сталей аустенитного класса находят хромоникелевые стали, содержащие около 18 % хрома и 8.., 10 % никеля (углерода не более 0,2 %). Эти стали имеют более высокую коррозионную стойкость, чем хромистые стали мартенситного класса. В нормализованном состоянии эти стали имеют структуру, состоящую из аустенита и небольшого количества карбидов типа (FeCr)23C6. При нагреве под закалку (так называемая аустенизацня) карбиды растворяются в аустените, и при резком охлаждении в воде фиксируется однофазная аустенитная структура. Однофазные структуры характеризуются более высокой коррозионной стойкостью, т.к. в этом случае уменьшается вероятность образования микрогальванических пар, вызывающих электрохимическую коррозию. Закалка аустенитных сталей не является упрочняющей операцией.
Аустенитные стали используются как кислотостойкие для изготовления химической аппаратуры, а также для деталей машин и криогенного оборудования, работающего при температурах до -253 С. Стали этого класса могут использоваться и как жаростойкие, жаропрочные материалы.
Наиболее известными сталями ферритного класса являются высокохромистые стали, содержащие 17...30 % хрома и не более 0,2 % углерода. Они хорошо сопротивляются как электрохимической так и газовой коррозии при высоких температурах, т.е. являются кислотостойкими и жаростойкими (окалиностойкими). Недостатком этих сталей является низкая прочность и возникающая при перегреве (например, при сварке) крупнозернистость, которая не устраняется термической обработкой, Крупнозернистость придаёт сталям повышенную хрупкость. Используются эти стали преимущественно в отожженном состоянии.
Рассмотренные стали мартенситного, аустенитного и ферритного класса относятся с особыми свойствами.
Стали карбидного класса по назначению являются инструментальными. Они отличаются повышенной износостойкостью и теплостойкость (красностойкостью). Благодаря этому их используют для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Наилучшие режущие свойства стали приобретают после сложной термической обработки. Отожженные заготовки имеют структуру сорбитообразного перлита и карбидов. После механической обработки заготовок и придания инструменту необходимой формы он подвергается закалке и трёхкратному отпуску. Схема режимов термической обработки приведена.
С целью выравнивания температуры по всему сечению инструмента и в избежании его деформации производится подогрев до температуры около 800°С, а затем окончательный нагрев в расплавах солей до температур 1260... 1290 °С (для стали Р18). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве высоколегированного аустенита. Это обеспечивает получение после закалки в масле (или на воздухе) высоколегированного мартенсита, обладающего высокой устойчивостью против отпуска, т.е. теплостойкостью. Часть карбидов, не растворившихся при нагреве, препятствуют росту зерна аустенита.
В процессе охлаждения часть аустенита превращается в мартенсит. Кроме того в структуре сохраняются не растворенные карбиды и некоторое количество остаточного аустенита, т.к. точка Мк лежит ниже нуля градусов и мартенситное превращение не заканчивается. Остаточный аустенит понижает твёрдость и режущие свойства, поэтому его присутствие в структуре недопустимо.
После закалки следует отпуск при температуре около 560 °С, при котором происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит с выделением дополнительного количества дисперсных карбидов. Это сопровождается увеличением твёрдости. Чтобы весь остаточный аустенит превратился в мартенсит, отпуск проводят 3 раза подряд с выдержкой по одному часу. Для инструмента простой формы можно делать после закалки обработку холодом и однократный отпуск при 560°С.
Твёрдость стали после закалки составляет HRC 62...63, а после трёхкратного отпуска HRC 64...65. Высокая твёрдость сохраняется при последующих нагревах в процессе работы до температур до 600 "С, что обеспечивает теплостойкость инструмента.
Конструкционная сталь, общее название группы сталей, предназначенных для изготовления строительных конструкций и деталей машин или механизмов. Конструкционная сталь должна обладать хорошей свариваемостью, в связи с чем содержание в ней углерода не должно превышать 0,25%; она подразделяется на углеродистую и низколегированную (до 5% легирующих элементов) повышенной прочности, а также в зависимости от назначения - для мостостроения и каркасов высотных зданий.
Конструкционная сталь, используемая в машиностроении, по химическому составу классифицируется на углеродистую и легированную (хромистая, хромоникелевая и др.); по методу изготовления - на деформируемую и литейную; по условиям работы - на конструкционную, жаропрочную, нержавеющую (коррозионностойкую), износостойкую. В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистую цементуемую сталь (0,1-0,25% С) и так называемую улучшаемую сталь (0,25-0,45% С); для некоторых деталей (например, пружин, рессор) применяется сталь с более высоким содержанием углерода (0,5-0,65% С). По степени легированности сталь для машиностроения делят на низко- (до 5% легирующих элементов), средне- (5-10%) и высоколегированную (более 10%). Детали машин, изготовленные из стали, как правило, подвергают термической обработке. В зависимости от значения и характера воспринимаемых деталью нагрузок к стали предъявляются требования необходимого уровня прочности, пластичности, ударной вязкости, предела выносливости, свариваемости, прокаливаемости и др.
Тройная (железо + углерод + легирующий элемент) легированная сталь.
Хром в качестве легирующего компонента получил наибольшее распространение, так как способствует увеличению прочности стали и относительно дешев. Низко- и среднелегированную хромовые стали довольно широко применяют в авто- и тракторостроении, а также в других отраслях машиностроения для осей, валов, зубчатых колес и других деталей. Хромовая сталь при содержании 0,4-1,65% Cr и 0,95-1,15%С образует группу шарикоподшипниковых сталей ШХ6, ШХ9, ШХ15. Низколегированную хромовую сталь применяют также для изготовления инструментов.
Никель - хороший легирующий компонент, но достаточно дорогой. Поэтому его по возможности сочетают с хромом или заменяют марганцем и другими легирующими элементами (сложнолегированная сталь). Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали.
Кремний при содержании свыше 0,8% повышает прочность, упругость и твердость стали, снижая, однако, её вязкость. Низкоуглеродистую кремнистую сталь применяют при сооружении мостов. Сталь 50С2, 60С2 и других марок применяют для изготовления пружин и рессор. После закалки она отличается высокой упругостью и прочностью.
Марганец повышает твердость и прочность стали, а также увеличивает её прокаливаемость и улучшает свариваемость. Низколегированную марганцевую сталь используют для деталей, от которых требуется износоустойчивость (зубчатые колеса, оси, болты). Это сталь маркировок 30Г2, 45Г2, 50Г2.
Сложнолегированная конструкционная сталь.
Эта сталь имеет широкое распространение. Путем одновременного легирования стали несколькими элементами получение нужных свойств достигается легче, полнее и при меньшем их содержании.
Хромоникелевая сталь. Она обладает высокой прочностью, вязкостью и является одним из лучших конструкционных материалов. Сталь такого вида получила распространение в авиастроении для изготовления наиболее нагруженных деталей авиамоторов, в авто- и тракторостроении. В зависимости от характера работы в изделии одни детали должны подвергаться цементации, другие- закалке и высокому отпуску(улучшению) В соответствии с этим хромоникелевая сталь делится на цементируемую и улучшаемую.
Цементуемые стали. Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10-0,30 % С, подвергая их затем цементации.
Для изделий небольших размеров, деталей неответственного назначения применяют стали 10, 15, 20, для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием углерода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и др.
Изделия небольшого сечения и несложной формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1 % Сг. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fе, Сг)3С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ванадием (0,1(0,2 %)-сталь 15ХФ-способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.
Для изготовления цементуемых деталей средних размеров, испытывающих при работе высокие удельные нагрузки, используют стали, в состав которых входит никель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Из-за дефицитности никеля эти стали заменяют другими легированными сталями. К ним относятся хромомарганцевые стали с небольшим количеством титана (0,006-0,12 %): 18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемые стали титан вводят только для измельчения зерна. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.
Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей. Обычно изделия, изготовленные из высоколегированных цементуемыхсталей, подвергают цементации на небольшую глубину.
Улучшаемые стали. Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3-05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.
Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и прочностью. Недостаток этих сталей склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.
Хромолибденовая сталь. Отличается высокой прочностью и вязкостью, простотой применяемой термической обработки. Её используют в котло- и трубостроении для котельных труб, труб пароперегревателей, котельных барабанов и т.п. Хромолибденовую сталь марки 15ХМ применяют для различного рода трубопроводов, работающих при высоких температурах в агрессивных средах. Кроме того, хромолибденовую сталь применяют в моторостроениии и других отраслях.
Хромованадиевая сталь. Эта сталь обладает высокой упругостью, применяется для изготовления осей, зубчатых колес(15ХФ,20ХФ), пружин(50ХФА) и др. Пружины, изготовленные из этой стали, сохраняют свою упругость при нагреве до температуры 380С. Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. В автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.
Низколегированная сталь повышенной прочности. Широкое применение в машиностроении строительстве находит низколегированная сталь повышенной прочности, не содержащая дорогостоящих элементов и легированная марганцем, кремнием, хромом.
Высокопрочные стали. С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами. Один из таких способов - легирование среднеуглеродистых сталей (0,4-0,5 % С) хромом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200-300.
Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, сталь 30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после НТМО (низкотемпературная термическая обработка) имеют временное сопротивление разрыву до 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5-2 раза по сравнению с обычной термической обработкой. Объясняется это тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению
Мартенситностареющие (Марэйджинг) стали. Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием специальной термической обработкой. Их достоинства - высокая технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации.