Азотируемые стали
Для азотируемых сталей из-за особенностей взаимодействия поверхностных слоев с азотом, диффундирующим при азотировании, используются стали, легированные хромом, ванадием, алюминием. Эти стали должны содержать 0,35 – 0,5% С и принимать закалку до азотирования. Твердость поверхности (до HRCэ 69...71) и износостойкость азотируемых сталей выше, чем у цементируемых. Высокая твердость азотированного слоя сохраняется при нагреве до 400 – 420 °C. Из-за резкого перепада твердости по сечению (до HRCэ = 35) и небольшой толщины получаемого азотированного слоя (до 0,5 мм) такие стали используют в условиях повышенного износа и нагрева, но при отсутствии больших нагрузок.
Сущность, назначение, преимущества по сравнению с цементацией, режимы, способы, оборудование, особенности термической обработки, структура по сечению диффузионного слоя, свойства и применение азотирования приведены в разд. 7.8.2 настоящего пособия.
Азотирование различают прочностное, антикоррозионное и для повышения сопротивлению усталости (явлению разрушения материалов при действии повторных с частотой меньше 5 с–1 и переменных нагрузок с частотой больше 5 с–1). Наибольшее применение находит прочностное азотирование, которое проводят с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости деталей, работающих на контактное трение при повышенных температурах.
Азотированные детали обладают высокой эрозионной устойчивостью в потоках горячей воды и водяного пара. В табл. 9.5 – 9.7 приводится химический состав сталей, подвергаемых азотированию, термическая обработка и механические свойства азотируемых сталей, примеры применяемых режимов азотирования.
Улучшаемые стали
К сталям, упрочняемым по всему сечению (улучшаемым), относятся углеродистые и низколегигрованные стали, содержащие более 0,35% С, и средне- и высоколегированные стали, содержащие более 0,3% С. Поскольку способность упрочняться на ту или иную глубину определяется влиянием легирующих элементов, то она неодинакова в разных сталях этой группы. Улучшаемые стали при одинаковом содержании углерода, но при разном содержании легирующих элементов имеют близкие прочностные свойства в деталях небольшого сечения, но заметно различаются в деталях крупного сечения. Поэтому выбор марки стали зависит от уровня требуемых свойств и толщины изделия. К улучшаемым сталям относятся среднеуглеродистые, низко- и среднелегированные стали. Применяются для изготовления деталей, которые в процессе эксплуатации воспринимают повторные и переменные нагрузки. В этой связи данные стали должны хорошо сопротивляться разрушению от усталости, т.е. от повторных и знакопеременных нагрузок.
Глубокопрокаливающиеся легированные стали применяют для крупных деталей с большой толщиной стенки или большим диаметром.
Если изделия работают на изгиб (кручение) и напряжения по сечению распределяются неравномерно, то на поверхности они максимальны, а в середине или в центре равны нулю. Для такого рода изделий сквозная прокаливаемость не нужна. Поэтому для обеспечения прочности ответственных деталей, работающих при эксплуатации в основном на изгиб и кручение, закаленный слой должен располагаться на глубине не менее 1/2 радиуса от поверхности.
Для деталей, работающих на растяжение, нужно обеспечить полную прокаливаемость по всему сечению. Детали сложной конфигурации для уменьшения их деформации в процессе закалки также следует изготовлять из легированных сталей, закаливаемых в масле или даже на воздухе.
При выборе стали следует учитывать, что легирующие элементы повышают устойчивость аустенита против отпуска, поэтому для получения требуемой прочности и твердости легированные стали подвергают отпуску при более высокой температуре (табл. 16.8). Это позволяет не только более полно снять закалочные напряжения, но и получить лучшее сочетание прочности и вязкости.
Т
аблица
16.5
Химический состав сталей, подвергаемых азотированию
Стали |
Марка |
Содержание, % |
||||||
C |
Cr |
Ni |
W |
V |
Al |
Mo |
||
Конструкционные (машиностроительные) |
38ХМЮА 30Х2НВФА 18Х2Н4ВА 40ХНМА |
0,35 – 0,42 0,27 – 0,34 0,14 – 0,21 0,36 – 0,44 |
1,35 – 1,65 1,6 – 2,0 1,35 – 1,65 0,6 – 0,9 |
≤0,25 1,4 – 1,8 4,0 – 4,4 1,25 – 1,75 |
- 1,2 – 1,6 0,8 – 1,2 0,8 – 1,2 - |
- 0,15 – 0,30 - -
|
0,7 – 1,1 - - - |
0,15 – 0,25 - - 0,15 – 0,25 |
Нержавеющие, кислоупорные, жаростойкие, теплоустойчивые |
20Х13 12Х18Н9Т 40Х14Н14В2М |
0,16 – 0,24 ≤ 0,12 0,4 – 0,5 |
12 – 14 17 – 20 13 – 15 |
≤ 0,5 8 – 11 13 – 15 |
- - 2,0 – 2,5
|
- - -
|
- Ti до 0,8 -
|
- - 0,25 – 0,40
|
Инструментальные |
Х12Ф 4ХВ2С |
1,45 – 1,7 0,35 – 0,45 |
11,0 – 12,5 1,0 – 1,3 |
≤0,35 ≤0,25 |
- 2,0 – 2,5 |
0,2 – 0,4 - |
- - |
- -
|
Т
аблица
16.6
Термическая обработка и механические свойства азотируемых сталей
Марка стали |
Термическая обработка |
Механические свойства (не менее) |
|||||
закалка |
отпуск |
σ0,2, МПа |
σb, МПа |
δ, % |
φ, % |
KCU, Дж/см2 |
|
38ХЮА 30ХН2ВФА 40НХМА 20Х13 |
930°, масло или вода 850 – 870° 850°, масло 1000 – 1050°, масло или вода |
625 – 650° 680° 620° 700 – 790°, масло или вода |
850 800 850 420 |
1000 900 1100 600 |
14 10 12 20 |
50 40 55 60 |
90 90 100 90 |
Таблица 16.7
Примеры применяемых режимов азотирования
Марка стали |
Температура процесса, °C |
Степень диссоциации аммиака, % |
Продолжи-тельность, ч |
Глубина слоя, мм |
Поверхностная твердость обычно достигаемая, HV10 |
Поверхностная твердость минимально допустимая, HV10 |
Назначение |
38ХМЮА |
500 – 520 500 – 520 |
20 – 40 20 – 40 |
35 55 |
0,30 – 0,35 0,50 – 0,50 |
1000 – 1150 1000 – 1150 |
950 |
Гильзы авиамоторов, дизелей, насосов, различные шестерни, валики, втулки, кулачки, фиксаторы, стаканы, детали насосов, шпиндели, копиры, пароводяная арматура и другие детали |
30Х2Н2ВФА |
480 – 500 480 – 500 |
15 – 30 15 – 30 |
35 55 |
0,25 – 0,30 0,45 – 0,50 |
650 – 750 650 – 750 |
600 |
|
18Х2Н4МА |
490 – 500 490 – 500 500 – 520 |
15 – 30 15 – 30 20 – 40 |
35 55 55 |
0,25 – 0,30 0,45 – 0,50 0,50 – 0,55 |
650 – 750 650 – 750 600 – 700 |
600 |
|
40ХНМА |
490 – 500 500 – 520 |
15 – 30 20 – 40 |
50 55 |
0,45 – 0,50 0,50 – 0,55 |
550 – 650 500 – 600 |
500 |
|
10Х13, 20Х13, 30Х13 |
500 – 520 540 – 560 530 – 580 |
20 – 40 40 – 55 |
55 55 20 + 20 |
0,15 – 0,25 0,25 – 0,35 0,25 – 0,27 |
950 – 1100 850 – 950 800 – 850 |
850 |
Различные детали, испытывающие эрозионный износ, работающие на трение в коррозионной среде |
Х12Ф |
500 – 520 500 – 520 |
20 – 45 20 – 45 |
25 55 |
0,16 – 0,20 0,20 – 0,30 |
900 – 1100 |
|
Матрицы и пуансоны для горячей штамповки, пресс-формы для литья под давлением для пластмасс, каучука, стекла, валки горячей раскатки |
Т аблица 16.8
Конструкционные углеродистые и легированные стали
Марка стали |
Химический состав, % |
Назначение |
|||||||||||||
С |
Mn |
Si |
Cr |
Ni |
Другие легирующие элементы |
||||||||||
Стали, прокаливающиеся в деталях диаметром до 12 – 15 мм |
|||||||||||||||
45 |
0,42-0,50 |
0,50-0,80 |
0,17-0,37 |
<0,25 |
<0,20 |
– |
Валы, оси, шестерни и т.п. |
||||||||
55 |
0,52-0,60 |
0,50-0,80 |
0,17-0,37 |
<0,25 |
<0,20 |
– |
|||||||||
60 |
0,57-0,65 |
0,50-0,80 |
0,17-0,37 |
<0,25 |
<0,20 |
– |
То же, при большей прочности сердцевины |
||||||||
Стали, прокаливающиеся в деталях диаметром до 25 – 35 мм |
|||||||||||||||
35Х |
0,31-0,39 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
0,8-1,1 |
<0,30 |
– |
Оси, валы, шестерни |
||||||||
40Х |
0,36-0,44 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
0,8-1,1 |
<0,30 |
– |
То же, но большей прочности |
||||||||
45Х |
0,41-0,49 |
0,50-0,80 |
0,17-0,37 |
0,8-1,1 |
<0,30 |
– |
То же, для крупных деталей сложной формы |
||||||||
50Х |
0,46-0,54 |
0,50-0,80 |
0,17-0,37 |
0,8-1,1 |
<0,30 |
– |
|||||||||
Марганцовистые стали |
|||||||||||||||
35Г2 |
0,31-0,39 |
1,4-1,8 |
0,17-0,37 |
<0,30 |
<0,30 |
– |
Коленчатые валы, оси, цапфы |
||||||||
45Г2 |
0,41-0,49 |
1,4-1,8 |
0,17-0,37 |
<0,30 |
<0,30 |
– |
Карданные валы, шатуны, вагонные оси |
||||||||
|
|||||||||||||||
Хромистые стали |
|||||||||||||||
35Х |
0,31-0,39 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
0,8-1,1 |
<0,30 |
– |
Оси, валы, шестерни |
||||||||
40Х |
0,36-0,44 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
0,8-1,1 |
<0,30 |
– |
То же, но большей прочности |
||||||||
45Х |
0,41-0,49 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
0,8-1,1 |
<0,30 |
– |
То же, но более сильно нагруженные детали |
||||||||
Хромокремнистые стали |
|
||||||||||||||
33ХС |
0,29-0,37 |
0,3-0,6 |
1,7-1,4 |
1,3-1,6 |
<0,30 |
– |
Тонкостенные трубы, валы, оси |
|
|||||||
40ХС |
0,37-0,45 |
0,3-0,6 |
1,2-1,6 |
1,3-1,6 |
<0,30 |
– |
Шестерни, валы высокой прочности |
|
|||||||
Хромованадиевая сталь |
|
||||||||||||||
40ХФА |
0,37-0,44 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
0,45-0,75 |
1,0-1,4 |
– |
Шестерни, валы высокой прочности, коленчатые валы; сталь мало чувствительна к перегреву при закалке |
|
|||||||
Стали, прокаливающиеся в деталях диаметром 75 – 120 мм
|
|
||||||||||||||
Хромоникелевые стали |
|
||||||||||||||
30ХН3А |
0,27-0,33 |
0,3-0,6 |
0,17-0,37 |
0,6-0,9 |
1,75-3,15 |
– |
Валы, штоки, кривошипы высокой прочности |
|
|||||||
Хромоникельмолибденовая сталь |
|
||||||||||||||
40ХН2МА |
0,37-0,44 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
0,6-0,9 |
1,25-1,65 |
0,15-0,25 Mo |
Тяжелонагруженные валы, оси |
|
|||||||
Для изделий, требующих высоких значений порога хладноломкости (работающих при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и при наличии концентраторов напряжений), следует применять наследственно мелкозернистые спокойные стали, предпочтительно легированные никелем и молибденом.