Сложнолегированные кремнистые пружинные стали

Кремнистую сталь вследствие ее склонности к графитизации и обезуглероживанию, а также недостаточной прокаливаемости (особенно в горячих средах) целесообразно дополнительно легировать карбидообразующими элементами: хромом, вольфрамом, ванадием, молибденом и марганцем. Кремнистые пружинные стали являются по существу кремнемарганцовыми, хотя содержание марганца в них и невысокое (0,6—0,9%). Если учесть карбидообразующее свойство марганца, его влияние на увеличение прокаливаемости и на изменение тонкой структуры стали, то представляется естественным повысить его содержание при одновременном снижении содержания кремния. В этом случае можно сочетать преимущества марганцовистых сталей (хорошую закаливаемость, незначительную склонность к обезуглероживанию) с достоинствами кремнистой стали (пониженная склонность к образованию трещин при закалке, высокая прочность и устойчивость против отпуска).

ГОСТом предусмотрена сталь 55ГС, но для нее установлено излишне низкое содержание как кремния, так и марганца. Поэтому сталь 55ГС имеет даже меньшую прокаливаемость, прочностные и упругие свойства, чем сталь 55С2. Достоинством стали 55ГС является несколько большая пластичность и заметно меньшее обезуглероживание при закалке вследствие меньшего содержания кремния и возможности закалки при более низкой температуре.

Лучшими свойствами обладает сталь типа 55СГ2 с более высоким содержанием марганца и кремния (0,54% С; 1,23% Si; 1,66% Mn). Ее прокаливаемость значительно выше; критический диаметр стали типа 55СГ2 равен 30 мм, а стандартной стали 55С2 — не превышает 19 мм. Порог роста зерна новой стали составляет 950° С, т. е. такой же, как и стали 55С2. Однако глубина обезуглероженного слоя в три раза меньше, чем у стали 55С2 (в одинаковых условиях нагрева). Свойства стали типа 55СГ2 после закалки и отпуска указаны на рис. 66. Предел упругости новой стали выше, чем стандартной стали 60С2. После закалки и отпуска при 400° С сталь 55СГ2 имеет: 0,01 = 1100 Мн/м2 (112 кГ/мм2) и о0,005 = 803 Мн/м2 (82 кГ/мм2), тогда как у стали 60С2 (0,57% С; 0,8% Mn и 1,70% Si) о0,01 = 1000 Мн/м2 (102 кГ/мм2) и о0,005 = 755 Мн/м2 (77 кГ/мм2), а у стали 55С2: о0,01 = 860 Мн/м2 (88 кГ/мм2) и о0,005 = 705 Мн/м2 (72 кГ/мм2). После отпуска на максимальный предел упругости сталь 55СГ2 не уступает кремнистой по пластичности и вязкости.

Таким образом, в кремнистых сталях 55С2 и 60С2 соотношение между содержанием кремния и марганца не является оптимальным. Следует увеличить содержание марганца и снизить содержание кремния до пределов, принятых для стали типа 55СГ2. В работе также показана целесообразность снижения содержания кремния в пружинной стали до 0,9—1,2% при одновременном увеличении содержания марганца до 0,7—1,0% (сталь 60СГ).

Известны и широко применяются в промышленности кремнистые стали, легированные хромом. Более 35 лет назад Н.А. Минкевич, указывая на пониженные свойства кремнистой пружинной стали, высказал мнение, что кремнистую сталь рационально дополнительно легировать хромом. Введение этого элемента в небольших количествах оказывает положительное влияние главным образом на технологические свойства.

Сравнение стали, легированной хромом — типа 50Х (0,56% С; 0,94% Cr), — с углеродистой сталью (0,45% С) показывает, что первая из них действительно обладает повышенными сопротивлением релаксации напряжений и сопротивлением разрушению. Однако углеродистая сталь, подвергнутая закалке и отпуску при 300—400° С, имеет более высокий предел упругости, так как в этой стали заметно меньше остаточного аустенита, присутствие которого (или продуктов его распада) снижает предел упругости. В то же время при более высоких температурах отпуска (выше 400° С) хромистая сталь обладает более высоким пределом упругости, так как в этой стали процесс преобразования тонкой структуры протекает более замедленно, чем в углеродистой. Из приведенных результатов следует, что введение хрома должно повысить стабильность тонкой структуры и поэтому хромокремнистая сталь должна обладать лучшим комплексом механических свойств, чем кремнистая и углеродистая. Действительно, показано, что введение 1 % Cr в сталь типа 55С2 позволяет при равной прочности 1600—1650 Мн/м2 (-160—165 кГ/мм2) повысить предел упругости примерно на 70 Мн/м2 (7 кГ/мм2).

ГОСТ 14459—69 предусмотрены три кремнехромистые стали: 50ХСА, 60С2ХА и 70С2ХА. Стали состава, близкого к 50ХСА и 60С2ХА, имеются в стандартах Чехии, Франция, США, Италии и др. Кроме того, имеются и кремнехромистые стали с пониженным содержанием хрома (до 0,5%): 60SiCr 8 (по DIN), AISI 9261, AISI 9260.

К отечественной стандартной стали 70С2ХА ближе всего сталь марки 67SiCr5 (по DIN 17222), а также кремнехромистая сталь, содержащая 0,75% С; 1,25% Si; 0,25% Cr. По сравнению с кремнистыми сталями без дополнительного легирования кремнехромистая обладает более высокими прочностными свойствами, не уступая первым по характеристикам пластичности.

Подробное исследование стали 60С2ХА выполнено М.Ю. Эйфером. Установлено, что эта сталь обладает лучшими технологическими свойствами, чем сталь 60С2А. Характеризуется более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, чем сталь 60С2А (рис. 67), а отсюда и большей прокаливаемостью. Так, если критический диаметр стали 60С2А при закалке с 880° С в воде равен 31 мм, в масле 20 мм, то для стали 60С2ХА он соответственно равен 58 и 44 мм. Введение хрома также уменьшает скорость роста зерна и его величина, начиная от температур 900° С, приблизительно на 1 балл меньше, чем в стали 60С2А. Существенно, что легирование хромом или хромом и ванадием уменьшает глубину обезуглероживания кремнистой стали. По данным М.Ю. Эйфера, глубина обезуглероженного слоя после нагрева при 880—900° С, 30 мин составляет 0,24 мм для стали 60С2А, 0,2 мм для стали 60С2ХА и 0,12 мм для 60С2ХФА.

Оптимальная температура закалки стали 60С2ХА, по данным, 880—890° С, т. е. несколько выше рекомендуемой ГОСТом. Свойства стали 60С2ХА после закалки с отпуском представлены в табл. 9, а по сравнению со сталью 60С2А — на рис. 54.

Из приведенных данных следует, что после отпуска при одинаковых температурах сталь 60С2ХА характеризуется более высокими значениями пределов прочности, текучести и пропорциональности. Особенно важно, что сталь 60С2ХА обладает повышенным пределом выносливости, максимальное значение которого так же, как и стали 60С2А, соответствуют отпуску при 450° С.

Для стали 60С2ХА, как и для стали 60С2А, весьма эффективна изотермическая закалка, особенно в сочетании с последующим отпуском (табл. 10), так как этот отпуск повышает и предел пропорциональности, и предел выносливости. Сопоставление всего комплекса технологических и механических свойств сталей 60С2ХА и 60С2А показывает, что дополнительное легирование хромом кремнистой стали весьма эффективно.

Помимо стали 60С2ХА, практическое применение имеет и сталь с более высоким содержанием углерода — 70С2ХА (ЭИ142), рекомендуемая для пружин, от которых требуется наиболее высокая прочность, например часовых. Однако в этом случае в структуре стали не должно быть дефектов, а на поверхности рисок, вмятин, следов коррозии и т. п., так как они в высокопрочной стали ведут к преждевременному разрушению. Свойства стали 70С2ХА впервые были изучены К.П. Колчиным и И.А. Савинковым, а затем более подробно К.П. Колчиным и В.Я. Зубовым. Исследования показали, что сталь 70С2ХА в тонких сечениях по пределам упругости и прочности несколько уступает высокоуглеродистым сталям У10А и У12А, а в сечениях толщиной более 0,6 мм превосходит их. Кроме того, сталь 70С2ХА вследствие выполнения отпуска при более высокой температуре обладает большими пластичностью и вязкостью, чем углеродистая при равном уровне прочностных свойств.

Еще более эффективным, чем легирование хромом, оказывается совместное легирование кремнистой стали и хромом и ванадием — сталь 60С2ХФА. Эта сталь характеризуется мелкозернистым строением и малой склонностью к росту зерна. Так, по данным М.Ю. Эйфера, при повышении температуры нагрева от 840 до 1050° С зерно увеличивается с 8 балла до 7—6, а в интервале оптимальных температур закалки его величина сохраняется на уровне балла 8. Важен также и тот факт, что при введении ванадия сильно возрастает прокаливаемость стали. В частности, после нагрева до оптимальной температуры закалки (880—890° С), превосходящей рекомендуемую ГОСТом (850° С), критический диаметр при закалке в масле достигает 80 мм по сравнению с 20 мм для стали 60С2А и 44 мм для стали 60С2ХА (рис. 67), что связано с повышением устойчивости переохлажденного аустенита. Поэтому пружины большого сечения (диаметром 40 мм) целесообразно изготовлять из стали 60С2ХФА. Глубина обезуглероживания стали 60С2ХФА при нагреве в тех же условиях (температура 880—900° С), что и других кремнистых сталей, оказалась заметно меньше, что является важным достоинством этой стали.

Свойства стали 60С2ХФА после закалки и отпуска представлены в табл. 11. Эти данные показывают, что введение ванадия несколько замедляет разупрочнение при повышенных температурах отпуска, почти не снижая свойств пластичности и вязкости. По значениям пределов текучести и пропорциональности сталь 60С2ХФА превосходит сталь 60С2ХА только в области повышенных температур отпуска (450—550° С), которые обычно и рекомендуются для обработки пружин. Предел выносливости стали 60С2ХФА, как и других кремнистых сталей, достигается после отпуска при 450° С и по абсолютной величине оказывается наибольшим.

Как показано в работе С.М. Серебрина, В.Н. Семенова и др., сталь 60С2ХФА, обладая большой усталостной прочностью, меньшей склонностью к росту зерна и обезуглероживанию, чем сталь 60С2, является перспективным материалом для рессор автомобиля. Применение стали 60С2ХФА для рессор автомобиля MA3-503T позволяет снизить массу этих упругих элементов.

Предел выносливости стали 60С2ХФА может быть повышен при применении изотермической закалки, особенно в сочетании с отпуском (см. табл. 10). Однако при испытании на кручение малоцикловая долговечность после изотермической закалки оказывается ниже, чем после закалки и отпуска. Этот процесс двойной изотермической обработки обеспечивает (при равной твердости) более высокий комплекс механических свойств — сочетание высокой прочности, пластичности и усталостной прочности (табл. 10). При этом наиболее высокие результаты были достигнуты М.Ю. Эйфером в результате изотермической закалки при температуре, близкой к мартенситной точке, т. е. при 275—290° С с последующим отпуском при 325° С.

Помимо легирования кремнистой стали хромом или хромом и ванадием, практическое значение имеет также ее легирование вольфрамом (сталь 65С2ВА). Преимуществом кремневольфрамовой стали 65С2ВА является несколько более высокая устойчивость переохлажденного аустенита и, как следствие этого, — более высокая прокаливаемость стали. Кроме того, сталь 65С2ВА обладает более мелкозернистым строением и повышенной устойчивостью против отпуска. По чувствительности к обезуглероживанию или склонности к графитизации сталь 65С2ВА не имеет преимуществ перед кремнистой сталью. Равным образом сталь 65С2ВА существенно не превосходит кремнистую по прочностным свойствам. Однако сталь 65С2ВА благодаря повышенной устойчивости против отпуска и, следовательно, большей стабильности карбидной фазы и тонкой структуры a-фазы имеет в пружинах более высокую релаксационную стойкость. По нашим данным, пружины из стали 65С2ВА отличаются и большей усталостной прочностью, чем пружины из стали 60С2А. Поэтому сталь 65С2ВА используют для изготовления пружин ответственного назначения. Для пружин из стали 65С2ВА рекомендуется закалка с 850—900° С и отпуска при 300—450° С.

Еще более высокий комплекс свойств достигается после изотермической закалки, особенно в сочетании ее с последующим отпуском (табл. 8). Этот дополнительный отпуск стали, закаленной на нижний бейнит, позволяет повысить предел пропорциональности на 200 Мн/м2 (20 кГ/мм2) и таким образом обеспечить сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью и вязкостью.

Приведенные выше данные показывают, что для пружин из стали 65С2ВА, как и из сталей 60С2А, 60С2ХА и 60С2ХФА, целесообразно применять изотермическую закалку на нижний бейнит с последующим отпуском.

Вследствие повышенной устойчивости против отпуска сталь 65С2ВА применяют для изготовления пружин, работающих при повышенной температуре. На рис. 68 показана релаксация напряжений в стали 65С2ВА в зависимости от температуры отпуска и температуры испытаний. Эти данные свидетельствуют о том, что пружины из стали 65С2ВА после отпуска при 450—500° С могут работать при нагреве до 200—250° С.

По данным И.В. Паисова и Р. Шукюрова, повышение пределов упругости и выносливости кремнистой стали типа 55С2 может быть достигнуто введением молибдена, вольфрама, а особенно значительное—добавкой молибдена и ванадия. Имеются данные о положительном влиянии дополнительного легирования РЗМ.

По данным В.Я. Зубова, дополнительное легирование кремнехромистой стали вольфрамом и молибденом важно и потому, что при этом уменьшается степень развития релаксационных процессов. Разработанная В.Я. Зубовым сталь этого типа (ЭИ722 или 70СЗХМВА) по упругому последействию и релаксационной стойкости значительно превосходит другие кремнистые и углеродистые стали (рис. 69).

Высоким сочетанием свойств прочности, пластичности и вязкости по сравнению со сталями 55С2 и 60С2 обладает кремненикелевая сталь 60С2Н2А, в которой для уменьшения опасности графитизации несколько снижено содержание кремния. Высокая прокаливаемость этой стали позволяет применять ее для изготовления крупных пружин. Однако такие технологические свойства, как склонность к обезуглероживанию и росту зерна, оказываются столь же ухудшенными, как и в кремнистой стали.

Благодаря высокому комплексу механических свойств сталь 60С2Н2А рекомендуется для изготовления высокоответственных пружин. Закаливать эту сталь следует от 830—870° С с охлаждением в масле. Температуру отпуска пружин назначают, исходя из условий службы. Для стали 60С2Н2А характерно то, что, имея очень высокие значения предела пропорциональности после закалки и отпуска при 380—420° С — опц = 1660-1490 Мн/м2 (418-477 HB), — эта сталь обладает достаточно высокой ударной вязкостью: 343 кдж/м2 (3,5 кГ*м/см2). Поэтому пружины из стали 60С2Н2А могут работать в условиях значительной динамической нагрузки. По теплоустойчивости сталь 60С2Н2А не уступает кремнистой, но несколько ниже кремневольфрамовой.