Сталь шх15 закалка и отпуск: ШХ15 :: Металлические материалы: классификация и свойства

alexxlab | 03.06.1974 | 0 | Разное

Содержание

Сталь ШХ 15

Шарикоподшипниковая сталь относится к конструкционным сталям.

Эти стали должны иметь высокую твердость, поэтому содержание углерода в них велико. Основным легирующим элементом этой стали, помимо углерода, является хром.

Таблица 1. Составы некоторых подшипниковых сталей

Структура стали в состоянии поставки – феррито-карбидная смесь; как правило, пишут – отожженная на зернистый перлит. Про этот вид перлита на данном сайте есть статья. Почему такое состояние поставки, понятно. Поскольку детали из этой стали получают, в том числе, пластической деформацией, то структура должна иметь наилучшие пластические свойства. Структура стали ШХ15 в состоянии поставки показана на рис. 1 а. По ГОСТ балл этой структуры 3-5 по шкале №1.


а	б

Рисунок 1 .

Структура стали ШХ15 в состоянии поставки (а) и после закалки и отпуска (б)

Термическая обработка подшипниковой стали – закалка от температуры 830-840^оС в масло и отпуск 150-160^оС 1-2 часа. После такой обработки структура стали – мелкодисперсный мартенсит отпуска (говорят – скрытоигольчатый мартенсит) и карбиды (рис. 1б). Снимок сделан при увеличении 3000^х, тем не менее, мартенсит не различается.


а	б

Рисунок 2. Структура стали ШХ15 после закалки и отпуска

От карбидной фазы во многом зависят свойства стали. На рис.2 показаны структуры стали ШХ15, отличающиеся размером и пространственным распределением карбидов. На рис. 2а показана структура шарика диаметром 3/8 дюйма, показавшего при испытаниях усилие разрушения 140 кН. Этот шарик имеет однородную структуру матрицы и достаточно однородные карбиды (белые включения) как по размеру, так и по распределению в матрице. На рис. 2б показана структура шарика с усилием разрушения 68 кН. Структура этого шарика неоднородна. Это видно уже хотя бы из того, что участки мартенсита отличаются по цвету. Карбиды крупнее и неоднородны по размеру; для стали это существенно. Роль размера карбидов (неметаллических включений) иллюстрируется зависимостями на рис. 3.

Рисунок 3. Влияние размера глобулярных включений на усталостную прочность стали для разных диаметров образца: 1-18,6 мм; 2- 15 мм; 3 – 13 мм.

Карбидная фаза вообще играет большую роль, и дефекты, связанные с карбидами, имеют существенное значение. Наиболее значимыми дефектами карбидной фазы являются:

Карбидная полосчатость. Карбидная полосчатость является следствием структурной неоднородности стали после закалки. В участках карбидных скоплений образуется мартенсито-трооститная структура, а в участках, обедненных карбидами – игольчатый мартенсит. Это приводит к повышению внутренних напряжений и неоднородности твердости по поверхности подшипника. Карбидная полосчатость затрудняет получение структуры зернистого перлита.

Рисунок 4. Пример полосчатости структуры, сталь 12ХН3МСГ


а	б	в

Рисунок 5. Карбидная полосчатость в стали

Рисунок 6. Полосчатость в закаленной стали

Карбидная ликвация. В подшипниковой стали встречаются крупные включения карбидов, ориентированные вдоль направления прокатки – карбидная ликвация. Они обладают высокой твердостью и хрупкостью, поэтому они часто выкрашиваются при выходе на рабочую поверхность с образованием очагов разрушения. Резко выраженная карбидная ликвация ухудшает изнашиваемость шарикоподшипниковой стали.

Рисунок 7. Пример карбидной ликвации (сталь Р18)

Карбидная сетка. Присутствие карбидной сетки ведет к ухудшению механической прочности подшипника.

Рисунок 8. Участки карбидной сетки в стали ШХ15; закалка и отпуск

Другими дефектами подшипниковой стали являются:
Остаточный аустенит. С количеством остаточного аустенита связана размерная стабильность готовых подшипников в процессе эксплуатации. При нагреве до 150^оС в течение 100 часов увеличение размеров закаленной стали ШХ15 при исходной структуре пластинчатого перлита составляет 0,02%, а при исходной структуре зернистого перлита – 0,003%. Исходная структура зернистого перлита обеспечивает минимальное количество остаточного аустенита. Определение количества остаточного аустенита производится для подшипниковой стали только рентгеноструктурным анализом. Структура стали настолько мелкая (рис. 1,2), что различить зерна аустенита трудно.

Микропористость. Микропоры являются местами концентрации напряжений в металле и очагами возникновения усталостных трещин в готовых подшипниках при их эксплуатации.

ШХ15 :: Металлические материалы: классификация и свойства

Сталь ШХ15 ГОСТ 801-78

Массовая доля элементов, %
Углерод	Кремний	Марганец	Хром	Сера	Фосфор	Никель	Медь	Ni+Cu
				Не более
0,95- 1,05	0,17- 0,37	0,20- 0,40	1,30- 1,65	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50

Ас1	Ас3(Асm)	Аr3(Arcm)	Ar1	Мн
724	900	713	700	210

Режимы термообработки	Временное сопротивление , МПа	Предел текучести , МПа	Относительное удлинение , %	Относительное сужение ,%	Ударная вязкость KCU, Дж/см2	Твердость HRCЭ (НВ, кгс/мм2), не более
Режимы термообработки	Не менее					Твердость HRCЭ (НВ, кгс/мм2), не более
Отжиг 800 , печь, затем до 650 со скоростью 10-20 град/час, воздух	590-730	370-410	15-25	35-55	44	(179-207)
Закалка 810 , вода до 200 , затем масло. Отпуск 150 , воздух	1960-2350	1670	–	–	3-7	61-65

Предел выносливости при n = 106
, МПа	Термообработка
333	НВ 192. Отжиг
804	НВ 616. Закалка 830 . Отпуск 150 , масло
652

Теплостойкость
Температура	Время, ч.	Твердость. HRCЭ
150-160	1	63

Прокаливаемость. (Закалка 850 . Твердость для полос прокаливаемости HRCЭ)
Расстояние от торца, мм
1,5	3	4,5		6	9	12	15	18		24	33
66,5-68,5	63-68	58,5-67,5		51,5-67	40-64	38-54	38-48,5	38-47		33-41,5	28-35,5
Кол- во мартенсита, %			Критическая твердость, HRCЭ			Критический диаметр, мм
						В воде			В масле
50 90			57 62			28-60 20-54			9-37 6-30

Применяемость: шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Заменитель для сталей: ШХ9, ШХ12, ШХ15СГ.

Температура ковки:

– начала – 1150

– конца – 800

Свариваемость: КТС – без ограничений.

Склонность к отпускной хрупкости – склонна.

Флокеночувствительность – чувствительна.

Шлифуемость – хорошая.

Сортамент:

– горячекатаная круглая – ГОСТ 2590-71

– горячекатаная квадратная – ГОСТ 2591-71

– горячекатаная полосовая – ГОСТ 103-76, ГОСТ 4405-75

– калиброванная круглая – ГОСТ 7417-75

– круглая со специальной отделкой поверхности – ГОСТ 14955-77

ШХ15 ковка, закалка, проблема, вопрос – Термообработка

Где ошибка? Руки опускаются, хочу заного сделать нож, помогите найти ошибку.

Ошибок много. Инфы о них мало. Для начала – почитайте литературу по теме, например http://www.chipmaker.ru/files/file/11739/ (есть и более поздние издания, но не на этом форуме :cray:), только имейте в виду:

Отпуск согласно книжки по шх- сталям. время тоже оттуда.

Это режим для подшипника, а не для ножа! Режимы эксплуатации чуть-чуть разные, не находите? 🙂

Если у Вас, согласно данным профиля, “Оборудование – напильник, молоток, коленки” – сразу ряд вопросов: от какой температуры калили и отжигали? И вообще отжиг по каким книгам делали? Тут нужен не какой попало, а сфероидизирующий – а интервал температур для него весьма узок! Каким образом ее определяли? Как контролировали углеродный потенциал? И опять же: никакой нормализации – только сфероидизирующий отжиг! Как Вам уже писали:

ШХ не нормализуют,ее отжигают, как все легированные стали.Нормализуют ст30-ст45

Если

Кракелюры появились уже после первой закалки, но они были мелкие, больше были похожи на рисунок

– это уже брак, после которого необходима перековка!

При нагреве в углях нужно уметь определять, на какую глубину закапывать заготовку в уголь: закопаете глубоко – обезуглеродится, мелко – чрезмерно науглеродится. Опыт нарабатывается годами, и если нет соответствующего опыта – тренируйтесь, на чем не жалко!

Судя по характеру трещин, у Вас или обезуглероживание, или наоборот – но если науглероживание, то обязательно плюс перегрев (если зерно в изломе крупное, последнее вероятнее). Подробности здесь http://www.chipmaker.ru/files/file/11735/, искренне советую скачать и как следует проштудировать – за последние полвека ничего лучшего по теме не написано!

Пока не научились определять – пара советов:

Если Вы работаете с литьем алюминия, формы чем-то красите? Каолин или тальк, или мел, плюс немного жидкого стекла, так? Вот тем же самым покрасьте и заготовку перед закалкой, тонким слоем – примерно как формы, или даже тоньше!

Если есть термопара – отличный вариант – нагрев в расплавленном алюминии (лично пробовал): время нагрева под закалку всего-то 10-12 сек на миллиметр толщины листа (а если металл рафинирован, что очень полезно – вообще 7-9 секунд!) Греют обычно в соли или свинце, потому что алюминий разъедает сталь – но если заготовку красить – ничего с ней за это время не случится!

Эта сталь очень хороша для ножей – но нужен опытный и грамотный термист, ибо в общем-то, правильно Вам написали:

Вы выбрали очень сложную в термообработке сталь имхо. Её не все кузнецы опытные могут закалить. Возьмите чего нибудь попроще. Что нибудь типа напильника. Это я вычитал на ганзах.

И напоследок, из опыта – целиком присоединяюсь:

А вообще в отработке хорошую закалку для ШХ,ХВГ,9ХС не получить-проверено. Только свежее минеральное масло. А еще после ковки такие стали отжигают долго и правильно,на мелкозернистый перлит.

И добавлю: лучше специализированное закалочное масло, если его нет – И20 или И40, причем лучше всего горячее (120-140⁰), и первые 5 секунд активно болтать в масле, затем секунд 15 без перемешивания, а затем на воздух и сразу в струбцину или зажать между массивными ровными плитами, чтобы не повело. Но это именно в горячем, если масло холодное – таким манером править бесполезно!

Если хотите очень твердый нож – отпуск 170-180⁰, но не ниже. Выше 200 тоже не стОит:

при отпуске нельзя проходить т-ру 300 и 500 градусов.

300 – это среднепотолочная цифра, для легированных она “пляшет” – у пружинных сталей минимум ударной вязкости при 350, а для ШХ15 – уже при 250!

ШХ15

Марка стали

Вид поставки

Сортовой прокат – ГОСТ 801–78.

ШХ15

Массовая доля элементов, % по ГОСТ 801–78

Температура критических точек, ºС

Ni¹

Cu¹

Ас₁

Ас₃

Аr₁

Аr₃

0,95–1,05

0,17–0,37

0,20–0,40

≤

0,020

≤

0,027

1,30–

1,65

≤

0,30

–

≤

0,20

724

900

700

713

¹ Суммарная Cu и Ni ≤ 0,50%.

Механические свойства при комнатной температуре

НД

Режим термообработки

Сечение,

мм

σ_0,2,

Н/мм²

σ_В,

Н/мм²

δ,

Ψ,

KCU,

Дж/см²

HRC

НВ

Операция

t, ºС

Охлаждающая

среда

не менее

ГОСТ 801–78

Отжиг

790–810

Печь²

–

Не определяются

–

179–

207

Закалка

Отпуск

820–860

150–160

Масло

Воздух

–

58–62

–

ДЦ

Отжиг

800

Печь²

–

370–410

500–730

15–25

35–55

–

179–

207

Закалка

Отпуск

820–860

150–160

Масло

Воздух

30–60

1670

2160

–

61–64

–

²Охлаждение с печью до 730 ºС, от 730 до 650 ºС охлаждение со скоростью 10-20 ºС/ч, далее на воздухе.

Назначение. Втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, седла нагнетательных клапанов, корпусы распылителей, ролики толкателей, кулачки, копиры, накладные направляющие и другие детали, к которым предъявляются требования высокой твердости, износостойкости и контактной прочности, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм.

Предел

выносливости,

Н/мм²

Термообработка

Ударная вязкость, KCU, Дж/см²,

при t, ºС

Термообработка

σ_-1

τ_-1

+ 20

– 20

– 25

– 40

– 50

333

–

Отжиг. 192 НВ

–

Закалка 830 ºС, масло

Отпуск 150 ºС, воздух

804

–

Закалка с 830 ºС в масле, отпуск при

150 ºС. 60 HRC

Технологические характеристики

Ковка

Охлаждение поковок, изготовленных

Вид полуфабриката

Температурный

интервал ковки, ºС

из слитков

из заготовок

Размер сечения, мм

Условия охлаждения

Размер сечения, мм

Условия охлаждения

Слиток

1150–800

До 400

Отжиг низкотемпературный

До 250

251–350

На воздухе

В яме

Заготовка

1150–800

Свариваемость

Обрабатываемость резанием

Флокеночувствительность

Трудно свариваемая.

Способ сварки: КТ.

В отожженном состоянии при 179–217 НВ и

σ_В = 730 Н/мм²

К_√ = 0,90 (твердый сплав),

К_√ = 0,36 (быстрорежущая сталь)

Чувствительна

Склонность к отпускной хрупкости

Склонна

Подробный рассказ о ножах из углеродистой стали ШХ15

.
Класс: Сталь конструкционная подшипниковая
Использование в промышленности: шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Химический состав в % стали ШХ15
C	0,95 – 1,05
Si	0,17 – 0,37
Mn	0,2 – 0,4
Ni	до 0,3
S	до 0,02
P	до 0,027
Cr	1,3 – 1,65
Cu	до 0,25
Fe	~96

Зарубежные аналоги марки стали ШХ15
США	52100, G52986, J19965
Германия	1.3505, 100Cr6, 102Cr6
Япония	SUJ2, SUJ4
Франция	100C6, 100Cr6, 100Cr6RR
Англия	2S135, 534A99, 535A99
Евросоюз	1.3505, 100Cr6
Италия	100Cr6
Испания	100Cr6, F.1310
Китай	GCr15
Швеция	2258
Болгария	SchCh25
Венгрия	GO3
Польша	Lh25
Румыния	RUL1, RUL1v
Чехия	14100, 14109
Австралия	5210
Юж.Корея	STB2, STB4

Удельный вес: 7812 кг/м 3
Термообработка: Отжиг 800 o C, печь, 15 o C/ч.
Температура ковки, °С: начала 1150, конца 800. Сечения до 250 мм охлаждаюся на воздухе, 251-350 мм в яме.
Твердость материала: HB 10 -1 = 179 – 207 МПа
Температура критических точек: Ac 1 = 724 , Ac 3 (Ac m) = 900 , Ar 3 (Arc m) = 713 , Ar 1 = 700 , Mn = 210
Обрабатываемость резанием: в горячетканом состоянии при HB 202 σ в =740 МПа, К υ тв. спл =0,9 и К υ б.ст =0,36
Свариваемость: способ сварки КТС.
Флокеночувствительность: чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости: склонна.
Шлифуемость: хорошая.

Механические свойства стали ШХ15
Состояние поставки, режим термообработки	Сечение, мм	σ 0,2 (МПа)	σ в (МПа)	δ 5 (%)	ψ %	KCU (Дж / см 2)	НВ , не более
Отжиг 800 °С, печь до 730 °С, затем до 650 °С со скоростью 10-20 град/ч, воздух	–	370-410	590-730	15-20	35-25	44	(179-207)
Закалка 810 °С, вода до 200 °С, затем масло. Отпуск 150 °С, воздух	30-60	1670	2160	–	–	5	62-65

Механические свойства стали ШХ15 в зависимости от температуры отпуска
Температура отпуска, °С	σ 0,2 (МПа)	σ в (МПа)	δ 5 (%)	ψ %	KCU (Дж / см 2)	HRC Э (HB )
Закалка 840 °С,масло
200 300 400 450	1960-2200 1670-1760 1270-1370 1180-1270	2160-2550 2300-2450 1810-1910 1620-1710	– – – –	– – – –	– – – –	61-63 56-58 50-52 46-48
Закалка 860 °С, масло
400 500 550 600 650	– 1030 900 780 690	1570 1270 1080 930 780	– 8 8 10 16	– 34 36 40 48	15 20 24 34 54	480 400 360 325 280

Механические свойства стали ШХ15 при в зависимости от температуры испытания
Температура испытаний, °С	σ 0,2 (МПа)	σ в (МПа)	δ 5 (%)	ψ %	KCU (Дж / см 2)
Нагрев при 1150 °С и охлаждение до температур испытаний
800 900 1000 1100	– – – –	130 88 59 39	35 43 42 40	43 50 50 50	– – – –
Образец диаметром 6 мм и длиной 30 мм, деформированный и отожженный. Скорость деформирования 16 мм/мин. Скорость деформации 0,009 1/с
1000 1050 1100 1150 1200	32 28 20 17 18	42 48 29 25 22	61 62 72 61 76	100 100 100 100 100	– – – – –
Закалка 830 °С, масло. Отпуск 150 °С, 1,5 ч
25 -25 -40	– – –	2550 2650 2600	– – –	– – –	88 69 64

Прокаливаемость стали ШХ15
Расстояние от торца, мм										Примечание
1,5	3	4,5	6	9	12	15	18	24	33	Закалка 850 °С
65,5-68,5	63-68	58,5-67,5	51,5-67	40-64	38-54	38-48,5	38-47	33-41,5	28-35,5	Твердость для полос прокаливаемости, HRC

Физические свойства стали ШХ15
T (Град)	E 10 – 5 (МПа)	a 10 6 (1/Град)	l (Вт/(м·град))	r (кг/м 3)	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20	2.11			7812
100		11.9		7790		390
200		15.1	40	7750		470
300		15.5		7720		520
400		15.6	37	7680
500		15.7	32	7640

Расшифровка марки ШХ15: с буквы Ш начинается маркировка подшипниковых сталей, Х означает легирование стали хромом, который присутствует в количестве 1,5%.

Особенности и применение стали ШХ15: для ответственных деталей приборов и машин в ряде случаев применяют закаленные стали с высокой твердостью, упрочняемые мартенситным превращением.

В условиях эксплуатации, особенно под напряжением, в метастабильной структуре закаленной стали могут проходить значительные изменения, приводящие к нарушению геометрических размеров изделий. Уже в ненагруженных закаленных деталях наблюдаются существенные изменения объема и размеров во времени. Эти изменения обусловлены диффузионными процессами перемещения атомов углерода в мартенсите, сопровождающиеся уменьшением размеров, и процессами распада остаточного аустенита — с увеличением размеров.

Посредством наблюдений за изменениями размеров закаленных образцов в процессе отпуска и рентгенографическими исследованиями установлено, что для стабилизации мартенсита закалки при комнатной температуре достаточно 2-4-часового отпуска при 150° С. Для стабилизации мартенсита при эксплуатации в условиях повышенных температур необходимо, чтобы температура отпуска превышала эксплуатационную на 50-100° С.

Основной причиной изменения размеров закаленной и подвергнутой низкому отпуску стали является остаточный аустенит. Превращение 1% аустенита в мартенсит приводит к изменению размеров стали на 1.10 -4 , что составляет 10 мкм на каждые 100 мм размера. Существует критическое количество остаточного аустенита, ниже которого стабильность размеров стали в пределах 1 . 10 -5 при минусовой и комнатной температурах сохраняется. Критическое количество аустенита изменяется пропорционально логарифму времени хранения и повышается с возрастанием температуры закалки и последу

ющего отпуска. Например, критическое количество аустенита, сохраняющее стабильность размеров стали ШХ15 в течение 3—5 лет в пределах 1-10 6 , составляет после закалки при 840 и 880° С и отпуске 100° С соответственно 5 и 10%, после отпуска 150° С – соответственно 10 и 19%.

Отпуск при 150° С, стабилизирующий мартенсит при комнатной температуре, является малоэффективным с точки зрения стабилизации остаточного аустенита. Увеличение размеров образцов, свидетельствующее о процессе аустенитно-мартенситного превращения, начинается лишь через 20 ч выдержки при 150° С. Начало интенсивного распада аустенита наблюдается только при 200° С. При этом твердость закаленной стали снижается до HRC60. В тех случаях, когда подобное снижение твердости недопустимо, основным способом понижения содержания остаточного аустенита в структуре закаленной стали является обработка при температуре ниже нуля, что связано с положением точки конца мартенситного превращения. Необходимость обработки холодом для стабилизации размеров точного мерительного инструмента и подшипников прецизионных приборов показана в ряде советских и зарубежных работ. Однако понизить содержание остаточного аустенита посредством обработки холодом ниже 4—5% для большинства инструментальных и подшипниковых сталей не удается. Поэтому некоторые исследователи рекомендуют сочетать обработку холодом с последующим продолжительным низким отпуском, который для стали типа ШХ15 должен составлять не менее 10 000 ч при 100° С, 160 ч при 150° С и 50 ч при 180° С.

При повышенных температурах скорость превращения аустенита не зависит от температуры отпуска и пропорциональна только его количеству. В условиях эксплуатации при повышенных температурах превращение аустенита идет по бейнитному механизму и эффект стабилизации остаточного аустенита отсутствует. Суммарный эффект изменения размеров при повышенных температурах определяется относительной устойчивостью мартенсита и остаточного аустенита. Для изделий, работающих при температуре порядка 150° С, в целях снижения количества остаточного аустенита обязательна обработка холодом. Обработка холодом при -70° С стабилизирует размеры в течение 10000 ч при рабочей температуре 120 о С в пределах 5 . 10 -6 , а при 120-150° С в пределах 10 . 10 -5 . Дальнейшее повышение размерной стабильности может быть достигнуто посредством отпуска при температурах, обеспечивающих необходимую полноту распада остаточного аустенита, и стабилизации мартенсита. Для стали ШХ15 эти температуры составляют не менее 225-250° С.

Поскольку наиболее полными характеристиками размерной стабильности материала являются показатели сопротивления микропластическим деформациям, представляло интерес оценить зависимость этих характеристик от режимов термообработки закаленной стали.

Под напряжением в закаленной стали одновременно проходят процессы фазовых превращений и микропластических деформаций. При этом микропластические деформации ускоряют процессы фазовых превращений. Одновременно последние приводят к резкому понижению сопротивления начальным стадиям пластической деформации. Понижение сопротивления пластическому деформированию в условиях протекания фазовых и структурных превращений в литературе получило название кинетической пластичности или кинетического изменения свойств. Указанное явление характерно для стали, закаленной на высокую твердость, и ведет к активному изменению размеров вследствие развития процессов ползучести и релаксации напряжений. Сопротивление микропластическим деформациям характеризует не только размерную стабильность материала, но и отражает его сопротивление износу, поскольку последний по современным представлениям имеет в значительной степени усталостную природу и возникает в результате развития в металле микропластических деформаций.

В условиях метастабильного фазового и структурного состояния кинетика релаксации напряжений непосредственно контролируется процессами фазовых и структурных превращений, протекающих в условиях испытаний. В закаленных сталях типа ШХ15 кинетика процесса релаксации напряжений в интервале 100—200° С определяется нестабильностью мартенсита. Об этом свидетельствует совпадение энергий активации процессов релаксации напряжений и уменьшения удельного объема вследствие превращения мартенситной составляющей, а также соответствие этих изменений степеням релаксации напряжений в широком диапазоне температур и длительностей испытаний.

Зависимость предела упругости от температуры отпуска закаленной стали меняется по кривой с максимумом аналогично зависимости предела упругости наклепанных металлов от температуры дорекристаллизационного отжига. Представлена указанная зависимость для различных по составу сталей – углеродистых, конструкционных легированных, подшипниковых и нержавеющих, которые широко распространены в прецизионном машиностроении и приборостроении. Как видно из представленных данных, после оптимального отпуска предел упругости возрастает для различных сталей от 30% до 3-4 раз.

Наряду с повышением предела упругости при дорекристаллизационном отжиге возрастает релаксационная стойкость закаленной стали. Максимальная релаксационная стойкость наблюдается после отпуска при тех же температурах, что и максимальный предел упругости, например для сталей ШХ15 и 11Х18М при 250 и 350- 400° С соответственно.

Очевидно, что наблюдаемый рост сопротивления микропластическим деформациям с повышением температуры отпуска обусловлен процессами стабилизации мартенсита и остаточного аустенита, а также распадом последнего.

Особый интерес представляет целесообразность использования для стабилизации размеров закаленных стальных изделий многократной обработки холодом, чередующейся с низким отпуском. Некоторые авторы считают, что такая обработка обеспечивает более полное превращение остаточного аустенита по сравнению с однократным охлаждением и нагревом. По данным работы весь процесс стабилизации состоит из 5—6 циклов охлаждения до -85° С, каждый из которых сопровождается низким отпуском. Предполагается, что при каждом последующем охлаждении осуществляется дополнительное превращение части остаточного аустенита в мартенсит, а отпуск после охлаждения снимает возникшие вследствие указанного превращения и резкого охлаждения внутренние напряжения. В Японии запатентован метод термической обработки подшипниковой стали, заключающийся в проведении после закалки многократных теплосмен в интервале -50 +150° С. Повышение стабильности размеров в результате понижения количества остаточного аустенита после повторения цикла «обработка холодом-отпуск».

Многократная обработка холодом, чередующаяся с отпуском, позволяет повысить сопротивление микропластическим деформациям и стабильность размеров закаленной высокоуглеродистой стали.

В результате многократной термоциклической обработки существенно уменьшается содержание остаточного аустенита в стали в отличие от однократной обработки холодом и отпуском. Одновременно повышается предел упругости. После 6-кратной обработки при -70 и +150° С (режим 2) предел упругости при изгибе σ 0,001 составил 155 кгс/мм 2 против 137 кгс/мм 2 после однократной обработки (режим 3), т. е. повысился примерно на 13%.

Существенно возросла также и релаксационная стойкость стали.

Рассмотрим возможный механизм влияния многократной обработки по циклу «охлаждение ниже нуля – низкотемпературный нагрев» на структуру закаленной стали.

При охлаждении стали до минусовой температуры повышается разность свободных энергий аустенита и мартенсита и в связи с этим происходит дополнительный распад аустенита, На кинетику распада аустенита большое влияние оказывают поля напряжений, образующиеся в стали при ее охлаждении до минусовых температур после закалки. После закалки остаточный аустенит находится под воздействием всестороннего сжатия, которое задерживает мартенситное превращение. В связи с разницей в коэффициентах линейного расширения аустенита и мартенсита величина этого давления на аустенит уменьшается по мере охлаждения до отрицательных температур, что способствует ускорению мартен-ситного превращения. Превращение будет продолжаться до тех пор, пока выигрыш в свободной энергии из-за изменения решетки не будет поглощен энергией упругой деформации, возникающей в процессе образования мартенсита или пока не образуется предельное для данной температуры количество мартенсита, соответствующее минимуму общей свободной энергии.

В процессе нагрева стали до верхней температуры цикла и выдержке при этой температуре будет дополнительно происходить мартенситное превращение. Нарушения строения аустенита вокруг образовавшихся при низкой температуре кристаллов мартенсита облегчают последующее превращение при более высокой температуре. Полученные при предыдущем превращении упругие искажения в аустените будут облегчать зарождение последующих мартенситных кристаллов.

При этом чем больше упругие искажения в аустените в результате предыдущего мартенситного превращения при охлаждении до отрицательной температуры, тем выше скорость превращения при последующем нагреве.

Мартенситное превращение при нагреве будет продолжаться до тех пор, пока в новых условиях значение упругой энергии деформации, возникшей в процессе образования мартенсита, не станет равным разности свободных энергий решеток аустенита и мартенсита. При этом на кинетику зарождения новых кристаллов мартенсита значительное влияние оказывают факторы стабилизации аустенита и разность коэффициентов линейного расширения мартенсита и аустенита. Эти факторы уменьшают скорость мартенситного превращения при нагреве. Стабилизация аустенита обусловлена процессами отдыха металла при нагреве: уменьшением перенапряжений в микрообъемах, уменьшением плотности дислокаций в скоплениях, общим перераспределением дислокаций и точечных дефектов. В связи с разностью в коэффициентах линейного расширения аустенита и мартенсита при нагреве в аустените могут появляться дополнительные сжимающие напряжения, уменьшающие скорость превращения. При нагреве от минусовой до верхней температуры цикла процессы отдыха проходят также и в мартенсите с перераспределением дислокаций и точечных дефектов, уменьшением локальных скоплений дислокаций и перенапряжений в микрообъемах и повышением, в связи с этим, устойчивости мартенсита.

Распад мартенсита проходит после процесса отдыха и наиболее заметно наблюдается выше 100° С с выделением на первой стадии (в интервале 100-150° С) е-карбида и уменьшением степени тетрагональности мартенсита. После обособления карбидных частиц и уменьшения неоднородности концентрации углерода (при повышении температуры) искажения второго рода уменьшаются.

Таким образом, в результате процессов, проходящих в закаленной стали при нагреве от минусовой до верхней температуры 1-го цикла ТЦО, уменьшается количество остаточного аустенита и повышается его стабильность, происходит частичный распад мартенсита, а также повышается его устойчивость. По-видимому, величина микронапряжений на границе фаз также получается минимальной в связи с их релаксацией при отдыхе.

В результате необратимых процессов, проходящих при нагреве от минусовой до верхней температуры 1-го цикла, понижается энергия искажений кристаллической решетки. При повторном охлаждении стали до отрицательной температуры вновь появляется термодинамический стимул для мартенситного превращения. Однако в новых условиях скорость мартенситного превращения при охлаждении будет значительно ниже в сравнении с превращением в 1-м цикле, поскольку в результате предварительной стабилизации аустенита повышается работа образования зародышей мартенсита. Вследствие отдыха аустенита в 1-м цикле, распределение дефектов кристаллического строения становится менее благоприятным для образования новых зародышей мартенсита.

При нагреве во 2-м цикле новые упругоискаженные области, возникшие в аустените в процессе у-а превращения при низкой температуре, также будут способствовать зарождению новых кристаллов мартенсита аналогично процессам в 1-м цикле нагрева. При этом, однако, скорость процессов оказывается значительно ниже, так как величина новых упругоискаженных областей будет меньше, чем в 1-м цикле. При повторном цикле нагрева вновь проходят процессы отдыха и стабилизации мартенсита. Происходит также некоторый дополнительный распад мартенсита (более полное прохождение 1-й стадии отпуска). В результате 2-го цикла ТЦО дополнительно уменьшается количество остаточного аустенита и значительно повышается устойчивость закаленной структуры при последующих изменениях температуры. Таким образом, после нового цикла ТЦО повышается стабильность остаточного аустенита и мартенсита.

Эффективность ТЦО ограничивается несколькими циклами обработки «холод-тепло» (3-б циклов), дальнейшее увеличение числа циклов неэффективно. Как и следовало ожидать, наибольший эффект достигается после 1-го цикла обработки. Однако экспериментальные данные показали, что для повышения сопротивления микропластическим деформациям весьма существенны также последующие несколько циклов обработки, при которых проходит дополнительный распад остаточного аустенита и более полная стабилизация структуры.

В результате 3—6-кратной ТЦО образуется устойчивая структура мартенсита с минимальным количеством остаточного аустенита, также хорошо стабилизированного. Более стабильная структура обеспечивает повышение сопротивления микропластическим деформациям в закаленной стали.

Изложенное свидетельствует об эффективности многократной обработки холодом, чередующейся с низкотемпературным отпуском, для стабилизации размеров изделий из стали, закаленной на высокую твердость. Зарубежные фирмы, применяющие указанную обработку, гарантируют более высокую стабильность мерительного инструмента, чем это требует ГОСТ 9038-90 и чем фактически наблюдается на плоскопараллельных концевых мерах отечественного изготовления.

Предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа

σ 0,2 – предел текучести условный, МПа
σ изг – предел прочности при изгибе, МПаδ 5 ,δ 4 ,δ 10 – относительное удлинение после разрыва, %
σ -1 – предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПаσ сж0,05 и σ сж – предел текучести при сжатии, МПа
J -1 – предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПаν – относительный сдвиг, %
n – количество циклов нагруженияs в – предел кратковременной прочности, МПаR и ρ – удельное электросопротивление, Ом·мψ – относительное сужение, %
E – модуль упругости нормальный, ГПаKCU и KCV – ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2T – температура, при которой получены свойства, Градs T – предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПаl и λ – коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)HB – твердость по Бринеллю
C – удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o – T), [Дж/(кг·град)]HV
– твердость по Виккерсуp n и r – плотность кг/м 3HRC э
– твердость по Роквеллу, шкала С
а – коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o – T), 1/°СHRB – твердость по Роквеллу, шкала В
σ t Т – предел длительной прочности, МПаHSD
– твердость по ШоруG – модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

Думаю, время обсудить и углеродистые и малолегированные стали, которые в ножестроении традиционно называют “углеродистыми”. И начать, думаю, будет лучше с пожалуй самой популярной углеродистой стали – ШХ15 .

Вот уже около 100 лет малолегированные хромистые стали используются как подшипниковые, износостойкие и инструментальные (для режущего и измирительного инструмента). Классической эту группу сталей можно назвать и для ножеделия зарубежом. Среди отечественных ножеделов долгое время преобладали углеродистые и марганцовистые стали типа У8 или 65Г, но начиная с примерно 2000 года ШХ15 и авторские материалы на ее основе заняли одну из лидирующих позиций на рынке. Причиной тому высокие характеристики получаемых изделий, относительная технологичность и доступность сырья. Ну и опыт зарубежных коллег был учтен.

Итак, рассмотрим ШХ15 поближе. Это типичный представитель класса низколегированных хромистых сталей. Основными легирующими элементами являются хром и углерод.

Типичный состав стали ШХ15:

Стали этого типа очень распространены и являются основным материалом для производства подшипников. Стали могут быть легированы модибденом, иметь повышенное содержание марганца и кремния (иногда и хрома) для улучшения прокаливаемости, кремнием, кобальтом и алюминием для улучшения теплостойкости.

В отличие от рассмотренных ранее высокохромистых сталей в сталях данной группы количество хрома невелико и он не образует собственных карбидов а остается в твердом растворе и входит в состав легированного цементита. По структурному признаку стали – заэвтектоидные, соответственно, все карбиды достаточно мелкие (хотя, могут встречаться крупные скопления). Это определяет достаточно высокую однородность и контактную выносливость этих сталей. ШХ15, равно как и почти все “углеродистые” стали хорошо держат тонкую кромку.

ШХ15 послужила основой для авторских материалов, таких как “Углеродистая Углеродистая Сталь” в которых путем специальных режимов горячей деформации получены булатоподобные структуры и соответствующие им узоры. Многие современные булаты созданы на базе ШХ15.

Как и все “углеродистые” стали ШХ15 достаточно чувствительна к технологическим аспектам производства – в первую очередь – к горячей деформации и термообработке.2. Прочность несколько ниже чем у высоколегированных хромистых сталей, ударная вязкость сопоставима, а пластичность несколько лучше.

Оптимальные режимы закалки составляют 810-820° при закалке в водный раствор (возможны трещины) и 830-850° при закалке в масло (лучше подогретое до 40-60°С).

Оптимальные температуры отпуска – порядка 150-160°С, результирующая твердость порядка 61-64 HRC.
Как я уже говорил раньше, свойства изделий из ШХ15 могут быть заметно повышены правильной горячей деформацией и термообработкой.

Сталь ШХ15 применяется для производства бесшовных холодно- и горячедеформированных труб, предназначенных для изготовления колец шариковых и роликовых подшипников; шариков диаметром до 150 мм, роликов диаметром до 23 мм; втулок плунжеров, плунжеров; нагнетательных клапанов; корпусов распылителей; роликов толкателей и других деталей, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность; круглой отожженной проволоки диаметром 1,4-10,0 мм для изготовления шариков, роликов и колец подшипников.
Тип – сталь конструкционная подшипниковая

ГОСТы и ТУ на сталь ШХ15

ГОСТ 14955-77 “Сталь качественная круглая со специальной отделкой поверхности. Технические условия.”;
ГОСТ 2590-2006 “Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент.”;
ГОСТ 2591-2006 “Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент.”;
ГОСТ 7417-75 “Сталь калиброванная круглая. Сортамент.”;
ГОСТ 103-2006 “Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент.”;
ТУ 14-11-245-88 “Профили стальные фасонные высокой точности. Технические условия.”;
ГОСТ 801-78 “Сталь подшипниковая. Технические условия»”;
ТУ 14-1-1213-75 “Заготовка горячекатаная и кованая, квадратная и прямоугольная из стали качественной углеродистой, легированной стали. Технические условия»”;
ТУ 1-83-77-90 ;
ГОСТ 800-78 “Трубы подшипниковые. Технические условия»”;
ТУ 14-1-3680-83 “Заготовка трубная из вакуумированной хромистой стали марок ШХ15-В и ШХ15СГ-В. Технические условия»”;
ТУ 14-1-3911-85 “Заготовка трубная из подшипниковой стали. Технические условия»”;
ТУ 14-1-3494-82 “Прутки из подшипниковой стали марки ШХ15СГ-Ш для железнодорожных подшипников. Технические условия»”;
ГОСТ 21022-75 “Сталь хромистая для прецизионных подшипников. Технические условия»”;
ГОСТ 4727-83 “Проволока подшипниковая. Технические условия»”;
ТУ 1142-250-00187211-96 ;
ТУ 14-1-1500-75 “Сталь подшипниковая марки ШХ15Ф-Ш (ЭИ760-Ш) электрошлакового переплава. Технические условия»”;
ТУ 14-1-2032-76 “Прутки горячекатаные ободранные из шарикоподшипниковой стали марки ШХ15. Технические условия»”;
ТУ 14-1-232-72 ;
ТУ 14-1-2398-78 “Катанка из стали ШХ15 сорбитизированная с прокатного нагрева. Технические условия»”;
ТУ 14-1-2425-78 “Сталь толстолистовая. Марка ШХ15. Технические условия»”;
ТУ 14-132-173-88 “Сталь калиброванная шарикоподшипниковая марки ШХ15 с обточенной поверхностью. Технические условия»”;
ТУ 14-1-3815-84 “Сталь горячекатаная, обточенная, калиброванная марки ШХ15 в бунтах. Опытно-промышленная партия. Технические условия»”;
ТУ 14-1-5358-98 “Прокат холоднотянутый и со специальной отделкой поверхности из стали марки ШХ15-В для холодной высадки. Технические условия»”;
ТУ 14-1-699-73 “Заготовка из стали марки ШХ15. Технические условия»”;
ТУ 14-19-18-87 “Сталь листовая горячекатаная марки ШХ15. Технические условия»”;
ТУ 14-22-139-99 ;
ТУ 14-3-1203-83 “Трубы подшипниковые из вакуумированной стали ШХ15-В. Технические условия»”;
ТУ 14-3-335-75 “Трубы бесшовные горячекатаные из стали марки ШХ15. Технические условия»”;
ТУ 14-4-1112-80 “Лента холоднокатаная из стали ШХ15 для деталей электрических пишущих машин. Технические условия»”;
ТУ 14-4-563-74 “Проволока круглая из стали марки ШХ15-ЩД для сверхпрецизионных приборных подшипников»”;

Химический состав стали ШХ15

C	Cr	Cu	Mn	Ni	P	S	Si
0,95-1,05	1,30-1,65	≤0,25	0,20-0,40	≤0,30	≤0,027	≤0,020	0,17-0,37

По ГОСТ 801-78 суммарное содержание Ni+Cu≤0,50%. В стали, полученной методом электрошлакового переплава массовая доля серы не должна превышать 0,01 %, а фосфора 0,025 %. При выплавке стали в кислых мартеновских печах допускается массовая доля меди до 0,30 % при сохранении нормы суммарной доли меди и никеля не более 0,050 %.

Химический состав в % по ГОСТ 21022-75:

По ГОСТ 21022-75 химический соства приведен для стали марки ШХ15-ДШ, полученную методом переплава в вакуумно-дуговой печи электродов из стали марки ШХ15, изготовленных из металла электрошлакового переплава.

Механические свойства стали ШХ15

Механические свойства при 20°С

Состояние поставки

Сечение

t испыт.

t отпуска

s Т | s 0,2

(МПа)

s B

(МПа)

d 5

d 4

d 10

KCU

(кДж/м 2)

HRC

HRB

Сортовой прокат. Закалка в воду с 810 °С до 200 °С, затем масло + Отпуск при 150 °С, охлаждение на воздухе

Сортовой прокат. Отжиг при 800 °С, охлаждение с печью до 730 °С, затем до 650 °С со скоростью 10-20 °C/ч, охлаждение на воздухе

Сортовой прокат. Отжиг при 800°C, охлаждение с печью со скоростью 15 °C/ч

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

Состояние поставки

Сечение

t испыт.

t отпуска

s Т | s 0,2

(МПа)

s B

(МПа)

d 5

d 4

d 10

KCU

(кДж/м 2)

HRC

HRB

Сортовой прокат. Закалка в масло с 840 °С + Отпуск

Сортовой прокат. Закалка в масло с 860 °С + Отпуск

Механические свойства в зависимости от температуры испытания

Состояние поставки

Сечение

t испыт.

t отпуска

s Т | s 0,2

(МПа)

s B

(МПа)

d 5

d 4

d 10

KCU

(кДж/м 2)

HRC

HRB

Образец диаметром 6 мм и длиной 30 мм, деформированный и отожженный. Скорость деформирования 16 мм/мин. Скорость деформации 0,009 1/с

Сортовой прокат. Закалка в масло с 830 °С + Отпуск при 150 °С (выдержка 1,5 ч)

Прочая информация о ШХ15

Технологические свойства

Температура критических точек

Предел выносливости

Термообработка, состояние стали

s -1

Характеристики применения стали ШХ15, а также процесс ее производства привели к тому, что ее стали относить к группе конструкционных сталей.

Структура стали

Важнейшее требование, которое предъявляется к данному типу стали, – это высокая твердость. Для того чтобы достичь такого показателя, используют большое количество углерода в качестве а также добавляют некоторое количество хрома.

В момент поставки данной стали ее структура – это феррито-карбидная смесь. Чаще всего при поставке данного вида пишут, что она – отожженная на зернистый перлит. Также важно отметить, что к характеристикам применения стали ШХ15 относится и высокая пластичность, которая обязательно должна быть соблюдена, так как сырье этой марки часто используется для производства различных пластичных конструкций.

Температура закалки стали, при которой она проходит термическую обработку, – 830-840 градусов по Цельсию. Отпуск же сырья осуществляется в температуре от 150 до 160 градусов, а время, требуемое на завершение операции, составляет 1-2 часа.

Карбидная фаза

Дальнейшие характеристики применения стали ШХ15 во многом зависят от карбидной фазы и от ее успешного завершения. Если рассматривать ее протекание под микроскопом, то можно наблюдать, что при успешном ее завершении, усилие, которое требуется для разрушения матрицы – 140 кН.

Для того чтобы достичь такого показателя, шарик, являющийся основным элементом структуры, должен иметь однородную матрицу, а также достаточно однородные карбиды. Одинаковыми они должны быть как по размеру, так и по своему распределению в матрице. Если же во время обработки что-то пошло не так, то усилие, требуемое для разрушения структуры, может упасть до 68 кН. Если это происходит, значит, структура шарика получилась неоднородной. Карбиды в данном случае могут быть расположены неравномерно и/или иметь неодинаковый размер. Этот показатель очень существенный для стали.

Дефекты карбидной фазы

Так как характеристики применения стали ШХ15 во многом зависят от протекания карбидной фазы, то важно знать, какие могут быть дефекты этого процесса:

Один из первых дефектов – это карбидная полосчатость. Он возникает из-за того, что присутствует неоднородность структуры стали после ее закалки. В тех участках, где присутствует большое количество карбидов, появляется мартенситно-трооститная структура, а в тех местах, где количество этого вещества мало, появляется игольчатый мартенсит.
Еще один дефект, который может возникнуть, – это карбидная ликвация. В подшипниковом типе стали часто встречается крупное включение карбидов, которые располагаются вдоль направления прокатки – это и называется карбидной ликвацией. Дефект этого явления заключается в том, что эти элементы характеризуются высокой прочностью, но и высокой хрупкостью. Чаще всего такие элементы разрушаются при выходе стали на рабочую поверхность, из-за чего образуется очаг разрушения. Ярко выраженный дефект этого типа сильно увеличивает изнашиваемость шарикоподшипниковой стали.

Подшипники из стали

Из-за характеристик применения стали ШХ15 ее стали часто использовать для производства шариков, роликов и колец подшипников.

Стоит отметить, что при работе данных деталей они постоянно подвергаются высоким знакопеременным напряжениям. Также важно понимать, что ролик или шарик, а также дорожка из колец испытывают высокую нагрузку в единый момент времени, которая распределяется по очень малому участку плоскости. Из-за этого в таких участках попеременно возникают такие знакопеременные напряжения порядка 3-5 МН/м 2 (300-500 кгс/см 2).

Именно из-за таких нагрузок температура закалки стали очень высока, чтобы придать высокую прочность материалу. Также важно отметить, что такие высокие нагрузки не проходят бесследно, они оставляют небольшую деформацию элементов подшипника. Из-за этого на подшипнике образуются усталостные трещины. Появление этих дефектов приводит к тому, что при прохождении этого участка происходит удар, из-за которого деформация лишь усиливается, а в конечном счете подшипник полностью выходит из строя.

Подшипниковая сталь: характеристики

Данная марка стали применяется для производства шариков диаметром до 150 мм, роликов диаметром до 23 мм, а также для производства колец подшипников, толщина стенки которых 14 мм. Также эта сталь может использоваться для изготовления втулок плунжеров, нагнетательных клапанов, а также других деталей, для которых главное требование – это высокая твердость, высокая стойкость к износу, а также контактная прочность.

Подшипниковая сталь данной марки также обладает рядом определенных характеристик, таких как: склонность к отпускной хрупкости или флокеночувствительность. Пределы кратковременной прочности данного материала находятся в районе от 590 до 750 МПа. Предел пропорциональности для данного материала – 370-410 МПа. Относительное удлинение материала при разрыве составляет марки ШХ15 обладает относительным сужением – 45%. Кроме этого, есть и характеристика ударной вязкости, показатель которой 440 кДж/м 2 .

Свойства стали ШХ15

Если говорить о свойствах данной марки, то нужно обратить внимание на ее химический состав, который во многом влияет на образование этих свойств. Сталь ШХ15 содержит в своем составе такие химические элементы:

С – 0,95 -1.0;
Si – 0,17-0,37;
Mn – 0,2-0,4;
Cr – 1,35-1,65.

Также данная марка характеризуется еще одним параметром – критическая точка температуры. Для стали ШХ15 этот показатель находится в районе от 735 до 765 градусов по Цельсию.

Для того чтобы достичь нужной прочности, этот тип сплава подвергают сильному нагреву, температура которого превышает эвтектоидное превращение. Он обеспечивает нужную концентрацию такого элемента как С и Cr в в твердом виде, а также делает структуру мелкого однородного зерна.

Расшифровка стали ШХ15, которая получается в итоге проведения всех этих операций следующая: буква Ш обозначает, что материал принадлежит к группе подшипниковых сталей, а буква Х указывает на то, что в составе сырья имеется такой материал, как хром, являющийся одним из легированных элементов.

Углеродистая сталь

Сталь ШХ15 – углеродистая и малолегированная сталь, которая в изготовлении ножей приобрела название “углеродистой”. Данный материал используется уже примерно в течение 100 лет. Основная область применения данного материала – это подшипниковые, износостойкие и режущие детали или элементы.

Также стоит отметить, что данная группа стали является классической для изготовления ножей и за рубежом. Нож из ШХ15 будет обладать огромной прочностью, а также значительной остротой. Такие изделия используют чаще всего для каких-либо режущих инструментов, однако из нее же можно изготавливать и обычные кухонные ножи.

Особенности использования

Расшифровка стали ШХ15 говорит сама за себя, однако стоит добавить, что 15 – это показатель количества хрома в материале, которого там содержится в количестве 1,5%.

При эксплуатации изделий из данной стали в метастабильной среде с высокими нагрузками вполне возможны геометрические изменения размеров детали. После проведения наблюдений за закаленными образцами и их изменений в размерах, а также после проведения рентгенографических исследований люди установили, что для стабилизации такого вещества, как мартенсит, необходима закалка сырья в течение 2-4 часов при температуре в 150 градусов по Цельсию. Если же необходимо стабилизировать мартенсит для дальнейшей эксплуатации вещества в повышенных температурных условиях, то процесс отпуска должен проходить при температурном пороге, который будет превышать рабочую температуру на 50-100 градусов по Цельсию.

Можно отметить, что основная причина, почему после закалки и отпуска сталь изменяет свои геометрические параметры – это влияние остаточного аустенита. Для того чтобы привести наглядный пример, можно представить такое утверждение: 1% аутенсита при превращении в мартенсит будет изменять размер детали на 1.10 -4 . Для более понятного определения это означает, что изменение размера произойдет на 10 мкм на каждые 100 мм размера.

Расшифровка сталей, буквенные значения марок стали.

Основной стандарт определяющий основной химический состав, буквенные обозначение присутствующих в стали легирующих компонентов обозначен в ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали». На сегодняшний день изготавливают различные стали с добавками компонентов нерегламентированных настоящим ГОСТом 4543-71, зачастую их обозначают первой буквой названия элемента за некоторым исключением.

В таблице предоставлены буквенные значения основных элементов.

Х – хром	Ф-ванадий
М-молибден	Е-селен
Т-титан	А-азот
Н-никель	Л-берилий
В-вольфрам	Ц-цирконий
Д-медь	Ю-алюминий
Г-марганец	Б-ниобий
С-кремний	Ч-рмз (редкоземельные)
К-кобольт	Ш-магний
П-фосфор	Р-бор

Буквенные обозначения состояния стали

Сталь обыкновенного качества нелегированная обозначается, например сталь 3, ст.3сп (спокойная сталь)

Сталь качественная конструкционная нелегированная обозначается обычно как ст.10-ст.45 (так же ст.20, ст.35, ст.40 двухзначное число данной стали обозначает содержание углерода в стали (например сталь 45 содержание углерода 0,45%)

Сталь Низколегированная обычно обозначается как 09Г2С, 10Г2, 10ХСНД-15ХСНД. Сталь 09Г2С условно расшифровывается так 09Г2С – 09 означает содержание углерода 0,09%, 09Г2С – Г2 означает присутствие в стали легирующего элемента кремний содержание которого в сумме не менее 2,5%, 09Г2С – С означает содержание кремния. Стали 10ХСНД и 15ХСНД цифры после букв не прописываются, потому что среднее содержание легирующих элементов не менее 1%. Также низколегированные стали обозначаются буквойС – строительные стали с соответствующим минимальным пределом текучести, С-345, С-355 , (так же бываютС-355Т букваТ означает термоупрочненую сталь. Если присутствует букваК то это означает повышенную стойкость к коррозии.

Сталь конструкционная рессорно-пружинная, это такие стали как 65Г-70Г, 60С2А, 60С2ФА. Например сталь 65Г означает содержание углерода 0,65% и легирующий элемент Г- Марганец

Сталь конструкционная легированная , обычно это такие марки как 15Х-40Х (так же ст.20Х ст.30Х) например сталь 40Х означает содержание углерода буква Х легирующий элемент хром. Так же примером обозначим хромо-кремнемарганцевую сталь 35ХГСА, сталь имеет повышенное сопротивление ударным нагрузкам очень прочная сталь. Например сталь 35ХГСА содержит углерод равный 0,3% а так же легирующие элементы Х-Хром, Г- Марганец, С-Кремний, А-Азот примерно около 1,0%.

Буква А в начале обозначения марки стали говорит о том что этоАвтоматная сталь например А12,АС12ХН, АС14, АС19ХГН, АС35Г2 в большинстве используется в автомобилестроении, для обработки на специализированных станках с большой скоростью резания.Буква А в конце маркировки сталей относит её к высококачественным сталям. Например 40ХГНМ относится к качественным сталям, а 40ХГНМА уже к высококачественным.

Сталь Котельная эту марку называют котельной работает под высоким давлением такая сталь тоже является конструкционной например 20К, 20КТ, 22К среднее содержание углерода в ней 0,20%

Сталь конструкционная шарикоподшипниковая например такие как ШХ-15, ШХ-20. Обозначение шарикоподшипниковой стали начинается с буквы Ш. Так же бывает сплав стали ШХ15СГ, буквы СГ означают повышенное содержание кремния и марганца что придает стали наиболее лучшие характеристики. Например сталь ШХ15 расшифровывается буква Ш –шарикоподшипниковая сталь, Х указывает на содержание хрома около 1,5%.

Сталь инструментальная . Обычно инструментальные марки стали такие как У7, У8, У10 относятся к качественным инструментальным сталям, а такие марки стали как например У7А или У8А, У10А к высококачественной инструментальной стали. Обозначаются буквойУ, а число указывает на содержание углерода.

Сталь быстрорежущая .Быстрорез краткое наименование. Обозначается буквойР например такие Р9, Р18 или Р6М5, следующая за буквойР число обозначает содержание элемента В- вольфрама. Например сталь Р6М5К5 обозначает следующееР- быстрорежущая, цифра 6 содержание вольфрама, М5 означает содержание молибдена, К5 указывает на содержание в марке Р6М5К5 К-кобальт. Углерод не указывается потому что его содержание всегда около 4,5% во всех быстрорезах. Если сождержание ванадия выше 2,5% то указываеться букваФ напримерР18К5Ф2.

Сталь электротехническая это таки марки как 10880-20880 Сталь содержит минимальное количество углерода процентах исчисляется менее 0,05% из за этого имеет маленькое удельное электрическое сопротивление. Например, марка 10880 расшифровывается так: цифра 1 указывает на способ проката горячекатаный или кованный, (цифра 2 в начале означает калиброванную сталь). Следующая цифра 0 указывает, что сталь нелегированная, без коэффициента старения, если вторая цифра 1 то означает сталь с нормируемым коэффициентов старения. Третья цифра означает группу по нормируемым характеристикам. Четвертая и пятые числа означает количество по нормируемым характеристикам.

Сталь электротехническая нелегированная АРМКО, как ее еще называют: технически чистое железо (например, 10880; 20880 и т.д.) Такие марки содержат минимальное количество углерода, менее 0,04%, благодаря чему имеют очень малое удельное электрическое сопротивление. Первая цифра указывает на вид обработки (1- кованный или горячекатаный, 2- калиброванный). Вторая цифра 0 говорит, что сталь нелегированная, без нормируемого коэффициента старения; 1 с нормируемым коэффициентом старения. Третья цифра указывает на группу по основной нормируемой характеристике. Четвертая и пятая – количество значения основной нормируемой характеристики.

Литейные стали имеют букву Л в конце марки обозначаются так же как и конструкционные стали например 110Г1Л ГОСТ 977-75, 997-88

Алюминиевые сплавы обозначаются буквой А, например АМГ, АМЦ, АД-1Н (Д- означает дюралюминиевый, Н- означает нагартованный), Алюминиевые сплавы маркируются по следующему принципу: марки литейных сплавов имеют первую букву А, за ней Л. Сплавы для ковки и штамповки за буквой А имеют букву К. После этих двух букв ставится условный номер сплава.

Принятые обозначения деформированных сплавов такие: сплава авиаль – АВ, алюминиево-магниевого – АМг, алюминиево-марганцового – АМц. Дуралюмины обозначаются буквой Д с последующим условным номером.

Сталь высококачественная, при изготовлении высококачественной стали применяются разные методы изготовления.

Электрошлаковый переплав обозначается буквойШ в конце значения например: нержавеющая сталь95Х18-Ш, 20ХН3А-Ш.

Вакуумно-дуговой переплав обозначается в конце значения буквамиВД например ЭП33-ВД.

Элетрошлаковый с последующим вакуумно-дуговым переплавом обозначаетсяШВД .

Вакуумно-индукционная плавка имеет обозначение ВИ.

Электронно лучевой переплав имеет буквенное обозначениеЭЛ.

Газокислородно рафинированный переплав имеет значение ГР.

Справка по стали ШХ15

Сталь ШХ15

Общие сведения

Заменитель

стали ШХ9, ШХ12, ШХ15СГ.

Вид поставки

сортовой прокат, в т. ч. фасонный: ГОСТ 801-78, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75. Шлифованный пруток и серебрянка: ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Проволока ГОСТ 4727-83.

Назначение

шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Медь (Cu), не более	0.25
Марганец (Mn)	0.20-0.40
Никель (Ni), не более	0.30
Фосфор (P), не более	0.027
Хром (Cr)	1.30-1.65
Сера (S), не более	0.020

Механические свойства

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	s_0,2, МПа	s_B, МПа	d₅, %	y, %	KCU, Дж/м²	HB	HRC_э
Отжиг 800 °С, печь до 730 °С, затем до 650 °С со скоростью 10-20 град/ч, воздух.		370-410	590-410	15-25	35-55	44	179-207
Закалка 810 °С, вода до 200 °С, затем масло. Отпуск 150 °С, воздух.	30-60	1670	1670			5		62-65

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С	s_0,2, МПа	s_B, МПа	d₅, %	d₄, %	KCU, Дж/м²	HB	HRC_э
Закалка 840 °С, масло.
200	1960-2200	2160-2550					61-63
300	1670-1760	2300-2450					56-58
400	1270-1370	1810-1910					50-52
450	1180-1270	1620-1710					46-48
Закалка 860 °С, масло.
400		1570			15	480
500	1030	1270	8	34	20	400
550	900	1080	8	36	24	360
600	780	930	10	40	34	325
650	690	780	16	48	54	280

Механические свойства в зависимости от температуры испытания

t испытания, °C	s_0,2, МПа	s_B, МПа	d₅, %	y, %	KCU, Дж/м²
Нагрев при 1150 °С и охлаждение до температур испытаний [82]
800		130	35	43
900		88	43	50
1000		59	42	50
1100		39	40	50
Образец диаметром 6 мм и длиной 30 мм, деформированный и отожженный. Скорость деформирования 16 мм/мин. Скорость деформации 0,009 1/с [81]
1000	32	42	61	100
1050	28	48	62	100
1100	20	29	72	100
1150	17	25	61	100
1200	18	22	76	100
Закалка 830 °С, масло. Отпуск 150 °С, 1,5 ч. [89]
25		2550			88
-25		2650			69
-40		2600			64

Технологические свойства

Температура ковки

Начала 1150, конца 800. Сечения до 250 мм охлаждаются на воздухе, 251-350 мм – в яме.

Свариваемость

способ сварки – КТС.

Обрабатываемость резанием

В горячекатаном состоянии при НВ 202 и s_B = 740 МПа K_{u тв.спл.} = 0.90, K_{u б.ст.} = 0.36.

Склонность к отпускной способности

склонна

Флокеночувствительность

чувствительна

Шлифуемость

хорошая.

Температура критических точек

Критическая точка	°С
Ac1	724
Ac3	900
Ar3	713
Ar1	700
Mn	210

Предел выносливости

s_-1, МПа	n	s_B, МПа	s_0,2, МПа	Термообработка, состояние стали
333	1Е+6			НВ 192. Отжиг.
804	1Е+6			НВ 616. Закалка 830 С. Отпуск 150 С, масло.
652	1Е+6	2160	1670	НВ 582-670 [87]

Прокаливаемость

Закалка 850 °С.

Расстояние от торца, мм / HRC _э
1.5	3	4.5	6	9	12	15	18	24	33
65,5-68,5	63-68	58,5-67,5	51,5-67	40-64	38-54	38-48,5	38-47	33-41,5	28-35,5

Кол-во мартенсита, %	Крит.диам. в воде, мм	Крит.диам. в масле, мм	Крит. твердость, HRCэ
50	28-60	9-37	57
90	20-54	6-30	62

Физические свойства

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	211
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	80
Плотность, pn, кг/см3	7812	7790	7750	7720	7680	7640
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)			40		37	32
Уд. электросопротивление (p, НОм · м)		390	470	520
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20- 300	20- 400	20- 500	20- 600	20- 700	20- 800	20- 900	20- 1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	11.9	15.1	15.5	15.6	15.7

Теплостойкость, красностойкость

Теплостойкость

Температура, °С	Время, ч	Твердость, HRC_э
150-160	1	63

характеристики, применение, свойства, расшифровка маркировки

Структура стали

Важнейшее требование, которое предъявляется к данному типу стали, — это высокая твердость. Для того чтобы достичь такого показателя, используют большое количество углерода в качестве легирующего элемента, а также добавляют некоторое количество хрома.

В момент поставки данной стали ее структура — это феррито-карбидная смесь. Чаще всего при поставке данного вида пишут, что она — отожженная на зернистый перлит. Также важно отметить, что к характеристикам применения стали ШХ15 относится и высокая пластичность, которая обязательно должна быть соблюдена, так как сырье этой марки часто используется для производства различных пластичных конструкций.

Температура закалки стали, при которой она проходит термическую обработку, — 830-840 градусов по Цельсию. Отпуск же сырья осуществляется в температуре от 150 до 160 градусов, а время, требуемое на завершение операции, составляет 1-2 часа.

Опыты по закалке ШХ15

Данная тема предназначена скорее для тех, кто только пробует себя в термообработке.

Добрались руки до опытов с термической обработкой инструментальной стали, выбор пал на ШХ15, так как она довольно сильно распространена и в её обработке нет особых сложностей. Попробую рассказать, что из этого вышло, возможно кому-то будет полезно.

И так первое — это печь, я использовал электрическую муфельную

Нагрев буду проводить без какой-либо защиты, температура окончательного нагрева по справочнику 830-860 град., причем нижний диапазон выбирается для изделий небольшого сечения и структуры мелкозернистого или пластинчатого перлита, а верхний диапазон для более массивных деталей и более грубой структуры.

Если нет возможности определить температуру по приборам, то можно попытаться сделать это на глаз, зная, как зависит цвет стали от температуры нагрева.

Так называемые цвета каления

Вот он собственной персоной-зернистый перлит. Такое название ему дали из-за цвета, который принимает образец после травления на структуру — перламутровый, жемчужный. Эти маленькие шарики на фото представляют собой карбид железа, при нагреве под закалку их часть растворяется и тем самым обогащает основу, при резком охлаждении за счет того, что растворенный углерод не успевает выпасть и остается в мартенсите (новая структура, получаемая при закалке) мы имеем высокую твердость.

И так есть печь и температура, как выбрать время выдержки? Оно зависит от объема садки, от сечения детали. В подобных печах берется 1,5 минуты на 1 мм сечения, но не менее 5 минут для тонких деталей.

Чтобы снизить возможность образования трещин и уменьшить деформации, охлаждение производят в масло типа И12 с температурой 30-50 градусов. Были попытки закалки на воду, но из-за слишком быстрой скорости охлаждения пошли трещины от концентраторов напряжений.

Охлаждение вытянутых, длинных деталей нужно производить в вертикальном положении опять же, чтобы уменьшить коробление, перенос из печи в закалочную ёмкость осуществить быстро, чтобы изделие не успело подстыть, а то не получится должной закалки, успеет произойти промежуточное превращение.

Чтобы оценить, получилась закалка или нет, не имея под рукой ни микроскопа ни твердомера, можно взять надфиль и попробовать, как он «берёт» нашу деталь. При должной закалке мы получим твердость около 65 HRC, примерно такую же имеет и надфиль, он не должен оставлять заметных следов на закаленной детали. Чтобы оценить структуру, можно выполнить излом и посмотреть на него, если все сделали правильно, то излом будет матово-серый, фарворовидный, как на фото ниже

В случае, если мы недогрели деталь и она не закалилась, то излом будет темно-серый, крупнозернистый, местами волокнистый, в случае с перегревом все тоже весьма понятно — зернистый или крупнозернистый излом с блестками, как ниже

Перегрев сообщает детали пониженные механическое свойства, оно становится хрупким, кромки легко скалываются

В заключении оставлю ролик, где показываю, как проводил закалку