Хромованадиевая и хромомарганцевованадиевая пружинные стали

Введение ванадия в пружинную сталь, легированную также хромом, уменьшает чувствительность к перегреву, что наряду с его металлургическим действием приводит к получению мелкозернистого строения. Кроме того, повышается прокаливаемость и устойчивость стали против отпуска. Этот последний эффект объясняется стабилизациями ее субструктуры и сегрегаций углерода (и азота) на дислокациях, а также снижением скорости коагуляции частиц карбидной фазы. В случае закалки от более высоких температур, чем это обычно принято для сталей без ванадия, при последующем отпуске при 400—500° С главным образом по узлам сетки дислокаций выделяются карбиды ванадия, растворившиеся при нагреве под закалку. Это выделение карбидов ванадия может замедлить разупрочнение при отпуске, пока не произойдет заметной их коагуляции (выше 500° С). Металлургическое влияние ванадия на связывание азота и измельчение зерна, а также малая чувствительность к росту аустенитного зерна и равномерное распределение карбидов в структуре отпущенной стали обеспечивают повышенную ударную вязкость.

Таким образом, для пружинных сталей, содержащих ванадий, в частности, для сталей 50ХФА и 50ХФГА характерным являются теплоустойчивость и высокая ударная вязкость.

В литературе отсутствуют данные относительно влияния ванадия на свойства стали, характеризующие сопротивление малым пластическим деформациям. Согласно, ванадий весьма незначительно влияет на сопротивление малым пластическим деформациям a-твердого раствора, в то же время ванадий сильно увеличивает коэффициент упрочнения при повышенных деформациях, затрудняя поперечное скольжение, что, возможно, связано с образованием сегрегаций из атомов ванадия на дислокациях.

Сопоставление свойств хромистой (50Х) и хромованадиевой стали (50ХФА) позволяет выявить эффект от введения ванадия в стали после термической обработки (см. рис. 72—74). При введении 0,2% ванадия в сталь с 0,5% С и 1,0% Cr (сталь 50ХФА) не изменяются ее твердость, пределы прочности, пропорциональности и упругости, модуль упругости и сопротивление разрушению, но повышается пластичность по сравнению с аналогичными характеристиками хромистой стали (рис. 73). Сталь типа 50ХФА имеет более высокий предел текучести, чем 50Х.

Таким образом, в области относительно больших допусков на остаточную деформацию (до 0,2%) модуль упрочнения хромованадиевой стали выше, чем хромистой, что характерно и для а-твердого раствора, легированного ванадием. Изменения предела упругости в зависимости от температуры отпуска этой стали, как и хромистой, характеризуются двумя максимумами (при ~300° С и при 350—400° С). Явления, приводящие к этой закономерности в изменении предела упругости, имеют общий характер для легированных сталей и объясняются превращением остаточного аустенита и перераспределением дислокаций по типу полигонизации, образованием сегрегаций и дисперсных частиц в а-фазе.

Необходимо отметить сравнительно малое изменение предела упругости — от 824 до 785 Мн/м2 (84—80 кГ/мм2) — в результате повышения температуры отпуска вплоть до 450° С. После отпуска при 450—500° С эта характеристика у стали 50ХФА заметно выше, чем у стали 50Х, поскольку при повышенных температурах отпуска в ней меньше изменения микроструктуры и субструктуры. Отпуск при более высокой температуре позволяет дополнительно снизить остаточные напряжения. Все это обеспечивает сочетание в стали 50ХФА после термической обработки повышенных значений предела упругости и ударной вязкости. Кроме того, усталостная прочность стали 50ХФА с повышением температуры отпуска от 400 до 600° С снижается лишь на 60 Мн/м2 (7 кГ/мм2) с 727 до 657 Мн/м2 (с 74 до 67 кГ/мм2).

Кроме повышенной теплоустойчивости, которая может быть увеличена в результате азотирования, и повышенной ударной вязкости, хромованадиевая сталь обладает также повышенной усталостной прочностью, меньшей склонностью к хрупкому и в том числе к замедленному разрушению, а также высокими технологическими свойствами, превосходящими свойства хромомарганцевой стали. Хромованадиевая сталь прежде всего нечувствительна к перегреву и поэтому пружины, навиваемые в горячую, можно закаливать непосредственно с температуры деформации; это может дать некоторое дополнительное упрочнение от деформации, так как при этом реализуется по существу один из видов термомеханической обработки. Хромованадиевая сталь отличается меньшей склонностью к обезуглероживанию по сравнению с кремнистой или кремнемарганцевой сталью.

Так, по данным, сталь, близкая по составу к марке 50ХФА (сталь 5160 по SAE) после нагрева при 870° С в течение 1 ч имеет обезуглероженный слой глубиной 0,075 мм, а после выдержки в течение 6 ч при той же температуре 0,150 мм; у кремнехромомарганцевой стали типа 9262 AISI (0,55—0,65% С; 0,75— 1,0% Mn; 1,8—2,2% Si; 0,2—0,4% Cr) в тех же условиях нагрева получается обезуглероженный слой глубиной 0,250 и 0,560 мм соответственно.

По указанным причинам хромованадиевые стали используют в технике и в тех случаях, когда к пружинам предъявляются особо ответственные требования.

Свойства стали марки 50ХФА (по ГОСТ 14959—69) после закалки от 850° С в масле и отпуска при 520° С: ов > 1775 Мн/м2 (130 кГ/мм2); от > 1080 Мн/м2 (110 кГ/мм2); b5 > 8%; w > 35%. Однако в зависимости от условий службы пружин требуемые для них свойства могут изменяться в довольно широких пределах и поэтому соответственно варьируется и режим отпуска. Однако не рекомендуется производить отпуск ниже 350° С, хотя максимальная релаксационная стойкость пружин из стали 50ХФА при 20° С достигается, по данным А.Л. Селяво, после отпуска при 300° С, так как в этом случае пружины становятся чувствительны к концентраторам напряжений и разрушение происходит хрупко даже при статическом нагружении.

Закалку пружинной проволоки, из которой затем навиваются пружины (после навивки производится дополнительный отпуск), или пружин из хромованадиевой стали рекомендуется производить при 850 ± 10° С и отпуск при 370—420° С с охлаждением на воздухе, а иногда в горячей воде или в масле. После такой обработки сталь должна иметь следующие свойства: ов > 1470 Мн/м2 (150 кГ/мм2); w > 40%; 42—50 HRC (по ГОСТ 1071—41, 3704—47 и ЧМТУ 5559—56).

Свойства стали 50ХФА в зависимости от температуры отпуска приведены на рис. 73. Они получены в условиях сквозной прокаливаемости, которая для хромованадиевой стали типа 50ХФА из-за невысокой устойчивости переохлажденного аустенита (см. рис. 70) в общем невелика (см. рис. 57). Поэтому сталь 50ХФА чаще применяют для изготовления пружин из проволоки диаметром до 6 мм. Крупные пружины из прутков или проволоки диаметром до 10—12 мм для получения равномерной структуры и твердости по сечению А.И. Зотьев рекомендует закаливать с охлаждением в 50%-ном растворе каустической соды в воде при 25—90° С, который охлаждает интенсивнее, чем масло. После этой закалки и отпуска пружины обладают повышенными упругими свойствами, что проявляется в уменьшении остаточной деформации при осадке. Для увеличения глубины закаленного слоя в пружинах из хромованадиевой стали повышают температуру закалки, что ведет к растворению карбидов ванадия. Однако этот путь неэффективен и на практике температура закалки обычно не превышает 900° С, так как при более высоком нагреве сильно возрастает хрупкость из-за роста зерна.

Более радикальный путь повышения прокаливаемости — изменение состава стали в сторону небольшого увеличения содержания марганца или углерода. В ГОСТе наряду со сталью 50ХФА предусмотрена сталь 50ХГФА с содержанием 0,8—1,0% Mn, ей примерно соответствует по DIN хромованадиевая сталь 50 CrV4 (0,8—1,1% Mn). В США применяют сталь 6150 SAE, которая по содержанию марганца (0,5—0,8%) занимает промежуточное положение между сталями 50ХФА и 50ХГФА. Однако такое содержание марганца недостаточно для существенного увеличения прокаливаемости. Поскольку введение марганца, как это было показано выше, улучшает не только многие технологические свойства, но и сопротивление малым пластическим деформациям, хромованадиевые стали с повышенным содержанием марганца имеют ряд важных преимуществ. Однако по ударной вязкости они уступают стали с нормальным содержанием марганца типа 50ХФА (0,3—0,6% Mn). В работе показано, что, увеличивая содержания углерода до 0,56—0,64% (60ХФА), при том же содержании хрома и ванадия, что и в стали 50ХФА, можно заметно повысить закаливаемость, а также значения пределов текучести и пропорциональности после отпуска. Более высокие механические свойства и прокаливаемость можно получить в результате введения в хромованадиевую сталь молибдена. Сталь 50 Cr MoV4 по DIN (0,47—0,55% С; 0,8—1,2% Mn; 0,9—1,2% Cr; 0,15—0,25% Mo и 0,07—0,12% V) рекомендуется для изготовления тяжелонагруженных винтовых пружин и торсионов.

Более высокими технологическими и механическими свойствами, чем сталь 50ХФА, обладает рассмотренная выше сталь типа 55ХГСФ (ЭП464).

Для получения максимальных значений предела упругости отпуск пружин должен быть кратковременным, что удобно осуществить в соляных ваннах. По данным работы, максимальный предел упругости стали 50ХФА после закалки и отпуска при 300° С достигается при выдержке 10 мин (рис. 73). При такой кратковременной выдержке снимаются напряжения, полученные после закалки и в то же время не происходит огрубления субструктуры. Однако в этом случае сталь оказывается склонной к хрупкому разрушению.

Наиболее высокие значения предела упругости хромованадиевой стали типа 50ХФА можно получить в результате изотермической закалки. При этом чем ниже температура изотермического превращения в бейнитной области, тем выше достигаемые значения предела упругости.

Изотермическая закалка при температуре нагрева до аустенитного состояния (850° С, выдержка при 300° С, 30 мин) обеспечивает предел упругости о0,001 = 1060 Мн/м2, т. е. 108 кГ/мм2 (42HRC). Важно указать, что предел упругости (о0,01) стали 50ХФА после закалки и отпуска при 300° С, 1 ч составляет 824 Мн/м2 (84 кГ/мм2), т. е. на 196—245 Мн/м2 (20—25 кГ/мм2) ниже, чем после изотермической закалки на ту же твердость. Правда, если после обычной закалки в масле провести кратковременный отпуск (10 мин), то предел упругости будет выше (рис. 74), чем после изотермической закалки. Однако после изотермической закалки с выдержкой при 300° С и отпуска при той же температуре предел упругости (о0,01) достигает 1246 Мн/м2 (127 кПмм2), т. е. оказывается выше, чем после обычной закалки и отпуска.

Механические свойства стали 50ХФА после изотермической закалки с выдержкой при 330° С, 1 ч и дополнительного отпуска при той же температуре, а также после обычной закалки и отпуска на равную прочность с изотермической закалкой приведены в табл. 12.

Приведенные выше данные показывают, что изотермическая закалка стали 50ХФА с дополнительным отпуском обеспечивает высокие значения предела упругости и большую вязкость, чем обычные закалка и отпуск. Однако каких-либо преимуществ в отношении усталостной прочности образцов в условиях испытаний на повторный изгиб (табл. 12) такая обработка не дает. Следовательно, изотермическая закалка пружин из стали 50ХФА представляет определенный интерес как операция, позволяющая уменьшить деформацию и повысить предел упругости.

Принцип изотермической закалки лежит в основе процесса светлой закалки пружин из стали 50ХФА, которую выполняют по режиму: нагрев под закалку в соляной ванне (100% KCl) до 860 ± 10°С, затем переохлаждение в щелочной ванне (44,2% NaOH + 55,8% Na2CO3) с температурой 330 + 5° С, далее охлаждение в воде (60—80° С) и пассивирование в 2—5%-ном водном растворе NaNO3. Хотя этот процесс и обеспечивает получение чистой поверхности пружин, но, как показывает опыт промышленности, у пружин ответственного назначения, работающих в условиях циклического нагружения, нагрев в соляных ваннах может вызвать возникновение поверхностных повреждений, которые могут быть очагами усталостного разрушения. Поэтому целесообразно применение нагрева под закалку в контролируемых атмосферах или в специальной упаковке.

Максимальный предел упругости стали 50ХФА, в 1,5—2 раза превосходящий значения, получаемые после двойной термической обработки, достигается в результате азотирования. При этом, по данным О.П. Кот, растет коэффициент упрочнения в области микродеформации, в 1,5—2 раза снижается величина упругого гистерезиса и улучшается циклическая прочность упругих элементов.

Устойчивость к отпуску определяет широкое применение хромованадиевой стали для изготовления пружин, работающих при повышенных температурах, например для клапанных пружин двигателей внутреннего сгорания. По данным, релаксация напряжений пружин из стали типа 50ХФА (6150 SAE) при 200° С в течение 7 суток и а = 617 Мн/м2 (63 кГ/мм2) достигает 6%. Режим закалки и отпуска для пружин, работающих при нагреве, отличается от режима отпуска пружин, предназначенных для эксплуатации в условиях нормальных температур. Оптимальным следует признать отпуск при 450—500° С. Предельная температура длительной службы пружин из стали 50ХФА не превышает 200° С.