Сталь 38Х2МЮА: азотируемая сталь, состав, термообработка, применение

Что это за сталь

38Х2МЮА входит в ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали». Стандарт введён 1 октября 2017 года взамен ГОСТ 4543-71 и действует. Буквы в марке — по общей системе обозначений: Х — хром, М — молибден, Ю — алюминий; 38 — средний углерод в сотых долях процента. Буква А в конце по п. 4.1 ГОСТ 4543-2016 означает высококачественную сталь с повышенными требованиями к составу и макроструктуре.

В справочниках и старых чертежах та же сталь встречается как 38ХМЮА — так её называют Лахтин и Коган. Пределы состава совпадают с 38Х2МЮА. По их данным, сталь разработали в СССР в начале 1930-х годов именно под азотирование.

Сам процесс — газовое и ионное азотирование, строение слоя, запись на чертеже и контроль глубины — разобран в статье «Азотирование стали». Здесь — всё, что относится к самой стали.

Химический состав по ГОСТ 4543-2016

Состав по анализу ковшовой пробы — таблица 1, фосфор, сера и остаточные элементы — таблица 2:

В готовой металлопродукции таблица 3 для алюминия в диапазоне 0,70–1,10 % допускает предельное отклонение 0,10 %. Для азотирования это существенно: по Лахтину сталь чувствительна к колебаниям состава в пределах марки, а слой на стали с алюминием у верхнего предела получается хрупким. Фактический состав плавки смотрите в сертификате.

Зачем алюминий, хром и молибден

По лекциям ТПУ высокую твёрдость азотированного слоя дают стали с алюминием, молибденом, хромом, титаном: нитриды этих элементов дисперсны, тверды и термически устойчивы. На углеродистой стали слой получается невысокой твёрдости и хрупким.

Вклад алюминия виден из сравнения Лахтина:

У алюминия есть цена. Лахтин перечисляет металлургические дефекты сталей с высоким алюминием: столбчатый излом, неметаллические включения, мелкие трещины и волосовины в прокате. Сталь склонна к обезуглероживанию при нагреве, а из-за высокого критического интервала её приходится нагревать до 950–975 °C, что обезуглероживание усиливает.

Молибден важен для улучшения. Деталь отпускают высоко — при 600–650 °C. По лекциям ТПУ при высоком отпуске и медленном охлаждении развивается отпускная хрупкость II рода, хром ей способствует, а молибден и быстрое охлаждение после отпуска уменьшают склонность к ней. Этому соответствует и режим ГОСТ 4543-2016 для образцов 38Х2МЮА: после отпуска при 640 °C — охлаждение в воде или масле.

Механические свойства после улучшения

ГОСТ 4543-2016 нормирует свойства на продольных образцах из термически обработанных заготовок сечением 30 мм (таблица 8):

Допуски по температуре — ±15 °C при закалке и ±50 °C при высоком отпуске (примечание 1). Нормы относятся к продукции диаметром или толщиной до 80 мм.

Твёрдость поставки. Отожжённая или высокоотпущенная металлопродукция из 38Х2МЮА диаметром или толщиной свыше 5 мм — не более 229 HB (таблица 6), калиброванная в нагартованном состоянии — не более 255 HB (таблица 7).

Прокаливаемость. По Лахтину полная прокаливаемость 38ХМЮА достигается лишь до диаметра около 50 мм, а механические свойства сердцевины сравнительно невысоки. Для сильно нагруженных крупных деталей сталь не подходит — там выбирают азотируемые стали без алюминия. Об одной из улучшаемых сталей — в статье «Сталь 40ХН».

Маршрут изготовления детали

Порядок операций по Лахтину и лекциям ТПУ:

1. Заготовка с припуском. Из-за обезуглероживания нужен припуск 2–3 мм, чтобы полностью снять обезуглероженный слой: он вызывает «шелушение» азотированной поверхности.
2. Улучшение. Закалка с 930–950 °C в воде для крупных изделий или в масле, отпуск на 50–100 °C выше максимальной температуры азотирования — обычно 600–650 °C. Тогда сердцевина не разупрочнится в печи. Детали малого сечения улучшают в прутках до 50 мм.
3. Черновая и получистовая обработка.
4. Стабилизирующий отпуск — для деталей малой жёсткости перед окончательной механической обработкой: 3–10 ч при 550–600 °C с медленным охлаждением.
5. Чистовая обработка в размер. Азотирование, по лекциям ТПУ, ведут на готовых изделиях после окончательной механической обработки.
6. Азотирование. Для твёрдости и износостойкости газовый процесс ведут при 500–560 °C 24–90 ч; слой 0,3–0,6 мм, твёрдость поверхности около 1000 HV (лекции ТПУ). Закалка после азотирования не нужна, в сердцевине сохраняется сорбит.
7. Доводка — с минимальным съёмом или без неё.

Слой и почему его почти не шлифуют

Лахтин приводит для 38ХМЮА:

• наибольшая твёрдость слоя — до 1100–1200 HV;
• толщина зоны сплошных нитридов (белого слоя) при 520 °C — не более 0,02–0,025 мм, при 600 °C — 0,03–0,05 мм;
• общая толщина слоя растёт по параболическому закону: выдержка больше 90–100 ч её почти не увеличивает, наибольшая толщина — не более 1,0 мм;
• при нагреве до 400 °C твёрдость слоя ещё около 600 HV, выше 400–450 °C она резко падает — это предел рабочих температур.

Отсюда правило: размер получают до азотирования. Причин три.

• Съём уносит лучшее. Слой тонкий, а самая твёрдая часть — у поверхности. Каждая сотая миллиметра припуска на шлифование — это потерянная твёрдость.
• «Сыпь». После шлифования и хонингования на азотированной 38ХМЮА нередко появляется точечное выкрашивание слоя на глубину до 0,05 мм. По Лахтину оно чаще идёт по грубой нитридной сетке на крупнозернистой стали и связано с остаточными напряжениями в слое. Снижение температуры закалки с 950 до 900 °C уменьшает склонность к «сыпи», шлифовочным трещинам и сколам слоя.
• Хрупкость у верхнего предела алюминия. По Лахтину слой на такой стали обладает большой хрупкостью, а хрупкий слой при шлифовании рискует сколами.

Есть и обратный случай. Лахтин отмечает, что азотирование 38ХМЮА с удалением шлифованием хрупкой ε-фазы заметно повышает кавитационную стойкость. Если белый слой снимают намеренно, припуск на это и глубину слоя после шлифования согласуйте с термистом заранее. А если деталь по конструкции требует финишной обработки после азотирования, Лахтин советует сталь 38ХВФЮА с пониженным алюминием: её твёрдость ниже, 900–950 HV, но спадает по толщине плавнее, а слой не хрупок.

Где применяют

По Лахтину 38ХМЮА широко используют для зубчатых колёс, гильз цилиндров, червяков, шпинделей, втулок и других деталей, упрочняемых азотированием. Главное основание выбора — нужна наибольшая твёрдость и износостойкость поверхности. Азотирование к тому же повышает задиростойкость при комнатной и повышенных, 400–500 °C, температурах.

Когда брать другую сталь:

• Острые кромки, вырезы, нешлифуемые детали — стали без алюминия: слой у них менее хрупкий. В станкостроении, по Лахтину, для шпинделей, опор качения и ходовых винтов используют 40Х, 40ХФА, 18ХГТ.
• Крупные сильно нагруженные детали — 38Х2МЮА прокаливается только до диаметра около 50 мм.
• Рабочая температура выше 400–450 °C — твёрдость азотированного слоя там резко падает.

Аналог и масса

Ближайшая европейская марка — 41CrAlMo7-10 (1.8509) по EN 10085. В паспорте Lucefin она соотнесена с 38Х2МЮА. Состав близок, но не совпадает: хрома 1,50–1,80 % против 1,35–1,65 % по ГОСТ, молибдена 0,20–0,35 % против 0,15–0,25 %, алюминия 0,80–1,20 % против 0,70–1,10 %. Замену согласует конструктор.

Плотность 41CrAlMo7-10 в паспорте — 7,73 кг/дм³. Её использует калькулятор массы металла для 38Х2МЮА. Аналоги других марок — в конвертере марок стали.

Как заказать металл и деталь

Металл. В заказе укажите марку 38Х2МЮА и ГОСТ 4543-2016, профиль и стандарт на сортамент, состояние поставки — отожжённое или высокоотпущенное (не более 229 HB), если заготовку будут резать до улучшения. Если нужно подтверждение свойств до вашей термообработки, запросите испытания по таблице 8. При приёмке сверьте в документе о качестве алюминий плавки — от него зависит хрупкость слоя.

Деталь. На чертеже задают твёрдость сердцевины после улучшения, а для азотированного слоя — глубину h и твёрдость в HV диапазоном; как это записать и как мерить, — в статье «Азотирование стали». Почему твёрдость тонкого слоя нельзя проверить по HRC, объясняет статья «Твёрдость HRC, HB, HV». Отдельно оговорите с цехом, кто и когда делает стабилизирующий отпуск и сколько оставить на доводку.