Контрольные вопросы

1. Основные требования, предъявляемые к рессорно-пружинным

сталям.

2. Технология термической обработки рессорно-пружинных сталей.

3. Наиболее употребляемые марки рессорно-пружинных сталей.

4. Основные дефекты, возникающие при горячей обработке пружин.

5. Поверхностное упрочнение пружин и рессор из этих сталей и

цель их проведения.

5.2 Литейные стали

К литейным сталям относят железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% С и другие элементы (Mn, Si, Р, S, Cr, Ni, W, Mo, V и т. д.), попавшие в сталь из шихтовых материалов либо специально введенные в нее в определенных количествах для придания сплаву необходимых эксплуатационных и технологических свойств.

В настоящее время стальные отливки (рис.5.6) используют во всех отраслях машиностроения; по объему производства они занимают второе место после чугунов. Из сталей отливают обычно детали, к которым предъявляют повышенные требования по прочности, пластичности, надежности и долговечности в процессе эксплуатации.

Рис.5.6 Стальное литьё и литейные наконечники для винтовых свай

Литейные стали классифицируют в основном по способу выплавки, химическому составу, структуре, назначению.

По химическому составу литейные стали разделяют на углеродистые, а также низко-, средне –и высоколегированные. По структуре углеродистые стали могут быть ферритными или перлитными, а легированные — ферритными, мартенситно-ферритными, мартенситными, аустенитно-мартенситными, аустенитно-ферритными и аустенитными. Так как стальные отливки обычно подвергают термической обработке, стали классифицируют также по структуре в термически обработанном состоянии. Так, для термически обработанных углеродистых и многих низко- либо среднелегированных сталей характерна перлитная структура, а для высоколегированных жаропрочных и жаростойких сталей, так же, как и для износостойкой высокомарганцовистой стали 110Г13Л, — аустенитная (сталь Гадфильда).

Гадфильд Р.А. (Hadfield Robert Abbot 1858 - 1940 г.) - английский металлург, иностранный почетный член АН СССР с 1933 г. Основные научные труды и работы по производству, термической обработке и свойствам износостойкой (аустенитной) марганцевой стали 110Г13Л.

Сталь 110Г13Л - ГОСТ 977-88 распространяется на стальные отливки, изготавливаемые всеми способами литья из нелегированных и легированных конструкционных, легированных со специальными свойствами литейных сталей. Согласно ГОСТ 977-88 марка стали 110Г13Л, класс стали – аустенитная.

Структура стали 110Г13Л после литья - аустенит и избыточные карбиды (Mn, Fe)₃C. Данная структура стали приводит к изменению свойств – повышается вязкость и износостойкость. При нагреве изделий до t =1070 - 1100 ºС избыточные карбиды растворяются в железе. После этого литые изделия из стали 110Г13Л при температуре t=1100 ºС закаливают в воде. Сталь 110Г13Л после закалки имеет аустенитную структуру (рис.5.7).

а б

Рис.5.7 Микроструктура стали 110Г13Л: а – до закалки, б – после закалки

Химический состав стали 110Г13Л:

C (углерод) 0,9-1,5%	P (фосфор) не более 0,12%
Si (кремний) 0,3-1,00%	S (сера) не более 0,05%
Mn (марганец) 11,5-15%	Cr (хром) не более 1%
Ni (никель) не более 1%

Механические свойства стали 110Г13Л:

• предел прочности (временное сопротивление) σ_в = 800-900 Мпа;

• условный предел текучести σ_0,2 = 310-350 Мпа;

• относительное удлинение (пластичность) δ = 15-20 %;

• относительное сужение ψ = 50-30 %;

• начальная твердость в исходном состоянии 200 НВ - после воздействия холодной деформации 600 НВ;

На рис.5.8 изображены некоторые изделия из стали 110Г13Л.

Рис.5.8 Изделия, изготовляемые из стали 110Г13Л

Структура отливок из высоколегированных сталей в основном определяется природой и количеством легирующих элементов, содержанием углерода, режимом термической обработки, поэтому приведенная выше классификация этих структур условна.

В зависимости от скорости охлаждения, например, у сталей мартенситного класса можно получить перлитную структуру и наоборот. В зависимости от назначения литой детали и требований к ней конструкционные нелегированные и легированные стали разделены (согласно ГОСТ 977—75) на три группы:

1. для изготовления отливок общего назначения;

2. ответственного назначения;

3. особо ответственного назначения.

Для каждой группы отливок установлены показатели контроля. Для отливок I группы допускается содержание в стали 0,05—0,06% S и 0,05—0,087% Р; для отливок II группы —0,045—0,06% S и 0,04—0,07% Р; для отливок III группы — 0,045—0,05% S и 0,04— 0,05% Р. Содержание других элементов одинаково для сталей всех групп отливок.

Большую часть фасонных отливок (около 65%) изготовляют из углеродистых конструкционных сталей (ГОСТ 977—75) следующих марок 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л. В обозначении марки число означает среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, для марки 25Л—0,25% С), а буква «Л» указывает, что сталь предназначена для литья. С увеличением содержания углерода повышается прочность и снижаются пластические свойства сталей. Одновременно улучшается жидкотекучесть их и уменьшается усадка. Важное значение имеют требования, указанные в примечаниях в отношении содержания вредных примесей — серы и фосфора. Сера вызывает склонность сталей к образованию горячих трещин, а фосфор — хрупкость при обычных и низких температурах.

Свойства некоторых углеродистых конструкционных литейных сталей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сталь	Состав, % (Fe-основа)		Механические свойства (после нормализации), не менее					Температура заливки, °С
	С	Μn	σв	στ	δ	ψ	КСU
			МПа		%		Мдж/ м2
15Л	0,12—0,2	0,3—0,9	400	200	24	35	0,5	1560—1630
20Л	0,17—0,25	0,35—0,9	420	220	22	35	0,5	1560—1630
25Л	0,22—0,3	0,35—0,9	450	240	19	30	0,4	1500—1580
45Л	0,42—0,5	0,4—0,9	550	320	12	20	0,3	1460—1560
55Л	0,52—0,6	0,4—0,9	600	350	10	18	0,25	1460—1560

В зависимости от назначения сталей содержание в них вредных примесей имеет различные ограничения: для отливок общего назначения допускается содержание серы до 0.06% и фосфора до 0,08%, тогда как для отливок особо ответственного назначения количество каждого из этих элементов не должно превышать 0,05%; содержание кремния в сталях всех указанных марок должно быть в пределах 0,2—0,52%. а Cr. Ni, Cu — не более 0.3% (каждого).

В ГОСТ 977—75 (СТ СЭВ 4459—84, СТ СЭВ 4561-84) предусмотрено также сорок пять марок легированной (Cr, Ni, Mn, Mo, V, Cu и др.) конструкционной стали с содержанием каждого из легирующих элементов не более 2% (таб.2). На отливки из высоколегированных сталей со специальными свойствами установлен ГОСТ 2176—77. Стандартом установлено 30 марок высоколегированных сталей указанного назначения (таб.3). Марки включают буквенное обозначение легирующих элементов и следующие за ним числа, указывающие на среднее содержание этого элемента в массовых процентах. Числа в начале наименования марки характеризует среднее содержание углерода в процентах, а буква «Л» в конце показывает, что сталь предназначена для фасонного литья. Так, широко используемая в машиностроении коррозионностойкая (нержавеющая) сталь аустенитного класса 10Х18Н9ТЛ содержит не более 0,12% углерода, 17— 2U% хрома, 8—11% никеля и до 0,6% титана, а отличающаяся высокой износостойкостью высокомарганцовистая сталь 110Г13Л, идущая, например, на отливку звеньев гусениц тракторов и других гусеничных машин, содержит 0,9—1,3% углерода и 11,5—14,5% марганца. Для большинства рассматриваемых легированных сталей строго ограничивается содержание вредных примесей (до 0,03—0,035% серы и до 0,035—0,04% фосфора). Буквенные обозначения легирующих элементов приняты теми же, что и в марках легированных чугунов (см. примечание к табл. 6.3), а других: Ф—ванадий, В — вольфрам, Б — ниобий, Р — бор.

ГОСТ 21357—75 установлен на отливки из хладостойкой и износостойкой стали для деталей машин и металлоконструкций, эксплуатируемых при температурах до —60°С. К числу этих сталей относят углеродистые и легированные конструкционные (например, 15ЛС, 35МЛС, ЗОХМЛС, 35ХГСМЛС), а также высоколегированные со специальными свойствами 10Х18Н9МЛС и 110Г13МЛС. Буква «С» в конце марки указывает, что эта сталь предназначена для работы при температурах до —60°С. В рассматриваемых сталях хладостойкость и повышенная износостойкость обеспечиваются низким содержанием вредных примесей — серы и фосфора (не более 0,02% каждой), а также обработкой этих сталей при плавке комплексными раскислителями и лигатурами редкоземельных и других металлов в сочетании со специальными режимами термической обработки готовых отливок.

Таблица 2

Сталь для отливок обыкновенная
03Н12Х5М3ТЛ	03Н12Х5М3ТЮЛ	08ГДНФЛ	08Х17Н34В5Т3Ю2Л	110Г13Л
120Г13Х2БЛ	12ДН2ФЛ	12ДХН1МФЛ	12Х7Г3СЛ	13НДФТЛ
13ХНДФТЛ	14Х2ГМРЛ	15ГЛ	15ГНЛ	15Л
20Г1ФЛ	20ГЛ	20ГНМФЛ	20ГСЛ	20ДХЛ
20Л	20ФЛ	20ХГСНДМЛ	20ХГСФЛ	20ХМЛ
20ХМФЛ	23ХГС2МФЛ	25ГСЛ	25Л	25Х2Г2ФЛ
25Х2ГНМФЛ	25Х2НМЛ	27Х5ГСМЛ	30ГЛ	30ГСЛ
30Л	30Х3С3ГМЛ	30ХГСФЛ	30ХГФРЛ	30ХНМЛ
32Х06Л	35ГЛ	35Л	35НГМЛ	35ХГСЛ
35ХМЛ	35ХМФЛ	35ХН2МЛ	35ХНЛ	40Л
40ХЛ	45ГЛ	45Л	45ФЛ	50Л
55Л	80ГСЛ

Таблица 3

Сталь для отливок с особыми свойствами
07Х17Н16ТЛ	07Х18Н9Л	08Х14Н7МЛ	08Х14НДЛ	08Х15Н4ДМЛ
08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ	09Х16Н4БЛ	09Х17Н3СЛ	10Х12НДЛ	10Х14НДЛ
10Х17Н10Г4МБЛ	10Х18Н11БЛ	10Х18Н3Г3Д2Л	10Х18Н9Л	110Г13ФТЛ
110Г13Х2БРЛ	120Г10ФЛ	12Х18Н12БЛ	12Х18Н12М3ТЛ	12Х18Н9ТЛ
12Х25Н5ТМФЛ	130Г14ХМФА	14Х18Н4Г4Л	15Х13Л	15Х18Н22В6М2Л
15Х18Н22В6М2РЛ	15Х23Н18Л	15Х25ТЛ	16Х18Н12С4ТЮЛ	18Х25Н19СЛ
20Х12ВНМФЛ	20Х13Л	20Х20Н14С2Л	20Х21Н46В8Л	20Х21Н46В8РЛ
20Х25Н19С2Л	20Х5МЛ	20Х5ТЛ	20Х8ВЛ	31Х19Н9МВБТЛ
35Х18Н24С2Л	35Х23Н7СЛ	40Х24Н12СЛ	40Х9С2Л	45Х17Г13Н3ЮЛ
55Х18Г14С2ТЛ	85Х4М5Ф2В6	90Х4М4Ф2В6Л

 Особенности структуры литейной стали: отличительной особенностью, литой стали является грубозернистость ее строения, которая обусловливает низкий механические свойства, особенно характеристики пластичности и вязкости металла. Крупнозернистая структура также весьма неблагоприятно влияет на показатели сопротивления микропластическим деформациям металла. Поэтому решение теоретических и практических вопросов измельчения структуры, литой стали имеет весьма актуальное значение.

В настоящее время благодаря общим успехам в литейном производстве, и в частности достижениям литейного металловедения, в машиностроении, в том числе в специальном машиностроении, широкое применение находят стальные отливки, причем часто взамен поковок и штамповок.

Для изготовления стальных фасонных отливок применяются литейные стали, отличительными чертами которых являются удовлетворительные литейные свойства - жидкотекучесть, заполняемость, трещиноустойчивость (стойкость против образования горячих трещин), склонность к образованию усадочных пороков. Удовлетворительные литейные свойства стали позволяют получать сложные фасонные, часто тонкостенные отливки без дефектов - незаливов, горячих трещин, усадочных пороков.

Однако обеспечение надлежащего качества отливок - важное, но не определяющее условие разработки и применения для их изготовления специальной группы сталей - литейных сталей. 

Принципиально важной отличительной особенностью литейных легированных сталей по сравнению с деформируемыми является их возможность обеспечивать высокие характеристики механических свойств металла отливок без использования мощного инструмента - пластической деформации металла, которая определяет высокий уровень прочностных и особенно пластических свойств у деформируемых сталей. Связано это с тем, что при пластической деформации металла происходят существенные качественные изменения литой структуры: разрушаются дендриты, измельчаются первичные зерна, разрушаются неметаллические включения в объеме зерен, а также неметаллические прослойки на границах первичных зерен, устраняется межкристаллитная пористость и существенно уменьшается химическая (ликвационная) неоднородность (рис.5.9). 

Рис.5.9 Дендритная структура литой стали 35Л:

а - шлиф; б - излом; в - излом после обжатия 10 %; г - после обжатия 40%.

х 100

Учитывая это, в литейном металловедении особое внимание уделяется формированию первичной структуры металла отливок, т. е. той структуры, которую имеют отливки после первичной кристаллизации и полного затвердевания металла. Основной задачей при этом является обеспечение условий для уменьшения до минимума химической неоднородности металла в процессе его кристаллизации из жидкого состояния. В этом случае можно свести к минимуму их вредное влияние на пластичность и вязкость литейных сталей. 

Так как при затвердевании жидкой стали преимущественно образуются кристаллы сложной формы - дендриты, то химическая неоднородность (ликвация), возникающая в пределах каждого дендрита, будет определять химическую и соответственно структурную неоднородность всего объема затвердевающего металла в отливке. 

Существенное влияние на развитие процессов ликвации в отливках оказывают следующие факторы: температура и интервал затвердевания стали, диффузионная способность элементов состава.

Однако обеспечение надлежащего качества отливок - важное, но не определяющее условие разработки и применения для их изготовления специальной группы сталей - литейных сталей. 

Принципиально важной отличительной особенностью литейных легированных сталей по сравнению с деформируемыми является их возможность обеспечивать высокие характеристики механических свойств металла отливок без использования мощного инструмента - пластической деформации металла, которая определяет высокий уровень прочностных и особенно пластических свойств у деформируемых сталей. Связано это с тем, что при пластической деформации металла происходят существенные качественные изменения литой структуры: разрушаются дендриты, измельчаются первичные зерна, разрушаются неметаллические включения в объеме зерен, а также неметаллические прослойки на границах первичных зерен, устраняется межкристаллитная пористость и существенно уменьшается химическая (ликвационная) неоднородность (рис.5.10, 5.11). 

до деформации после деформации

Рис.5.10 Дендритная структура стали 40ХНМЛ (х20)

до деформации после деформации

Рис.5.11 Неметаллические включения в стали 40ХНМЛ

Существенное влияние на развитие процессов ликвации в отливках оказывают следующие факторы: температура и интервал затвердевания стали, диффузионная способность элементов состава стали, теплоемкость и теплопроводность стали, поверхностное натяжение и вязкость стали.

 Типовыми представителями отливок из хладостойких сталей марок 27ХН2МФЛ, 35ХМФЛ и др. по ГОСТ 21357 являются звенья гусениц тракторов и экскаваторов, зубья ковшей, разрыхлители грунта, сварочно-литые конструкции больших сечений экскаваторов; изделия из этих сталей в основном применяются в горнорудной и гидрометаллургической промышленности.

В холодильной технике широко применяют сжиженные газы, в частности азот. Чтобы сохранить его в жидком состоянии, нужен ужасный мороз — почти 200 градусов ниже нуля. При такой температуре обычная сталь становится хрупкой, как стекло. Контейнеры для хранения жидкого азота делают из хладостойкой стали, но и она долгое время “страдала” одним существенным недостатком: сварные швы на ней имели низкую прочность. Устранить этот недостаток помог молибден. Прежде в состав присадочных материалов, применяемых при сварке, входил хром, который как оказалось, приводил к растрескиванию кромок шва. Исследования позволили установить, что молибден, наоборот, предотвращает образование трещин. После многочисленных опытов был найден оптимальный состав присадки: она должна содержать 20% молибдена. А сварные швы теперь так же легко переносят двухсотградусный мороз, как и сама сталь.

Нержавеющая окалиностойкая литейная сталь — высоколегированная сталь для изготовления литых деталей, работающих при высоких температурах и обладающих высокой окалиностойкостью. Исходя из структуры, нержавеющие окалиностойкие литейные стали разделяются на несколько групп: закаливающаяся мартенситная, ферритная, полуферритная и мартенситная, аустенитная. Механические свойства нержавеющих окалиностойких литейных сталей определяются на образцах, вырезанных из заготовок, отлитых из той же плавки металла, что и детали, и термически обработанных вместе с ними. Стали Х9С2Л и Х6С2МЛ относятся к группе сильхромов перлитного класса, закаливающихся на мартенсит; используются для деталей, которые должны иметь не только высокое сопротивление окислению, но также и хорошую стойкость против истирания. Введение в состав сильхромов молибдена уменьшает отпускную хрупкость этой стали. Технологические свойства. Литье нержавеющей окалиностойкой литейной стали производится по выплавляемым моделям, в керамические и оболочковые формы; кольцевые детали отливают центробежным способом в кокиль. Жидкотекучесть высокая. Литейная свободная усадка 2—2,5%. Свариваемость хорошая. Сварка и заварка дефектов отливок производятся дуговой сваркой. Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Сталь Х9С2Л применяется для деталей, работающих с пониженной нагрузкой при температурах до 700°С; сталь Х6С2МЛ — для деталей, работающих при температурах до 750°С (детали крекинг-установок, части насосов и др.). Сталь Х18Н9ТЛ применяется для деталей, работающих при температурах до 600°С (выпускные коллекторы газопроводов, арматура для нефтеперерабатывающих установок, ящики для цементации); сталь Х18Н12МЗТЛ — для деталей, работающих при температурах до 800°; сталь Х25Н19С2Л — для деталей паровых и газовых турбин и котельных установок, работающих при температурах до 650°С; сталь Х24Н12СЛ — для деталей, работающих длит, время при высоких нагрузках и температурах до 600°С (лопатки компрессоров и сопловых аппаратов газовых турбин); сталь Х18Н24С2Л — для деталей, работающих при малых нагрузках и температурах до 1000° (печные конвейеры, котельная арматура, крепежные детали и др.), а также для деталей, работающих при больших нагрузках и температурах до 800°С.