Не имея возможности в настоящей работе привести данные о свойствах всех новых цементуемых марках стали, применяемых промышленностью Советского Союза, ограничимся рассмотрением только важнейших из них и притом только отвечающих поня­тию - экономичных или экономнолегированных. Перечень этих
марок сталей приводится в табл. 31, где одновременно указываются условия их применения и взамен каких, более высоколегирован­ных никелем марок стали они рекомендуются. При рассмотрении этих сталей будем исходить из принципа «от простого к сложному», в соответствии с чем остановимся прежде всего на свойствах стали 15ХР или 15ХРА.
Сталь 15ХР была разработана и предложена к внедрению ЦНИИЧЕРМЕТ (М. В. Приданцевым, Г. Л. Лившицем и др.) вза­мен стали марок 15НМ, 20ХН и частично 12ХН2. Химический со­став стали 15ХР указан в табл. 32, а гарантируемые механические свойства (по ЧМТУ 3595—56) после двойной закалки образцов се­чением диаметра 15 мм (с 860° в масло и с 770—810° в масло или воду) и низкого отпуска: σ_B≥60 кГ/мм²; σ_T≥40,0 кГ/мм²; δ₅≥15% ; ψ≥50%; а_Н ≥9 кГм/см². Сталь 15ХРА характеризуется довольно высоким положением верхней критической точки (825—850°, в за­висимости от содержания в плавке С, Сг и В) и поэтому в тех слу­чаях, когда желательно иметь более высокие механические свой­ства сердцевины, закалка от температуры 770…800° не может быть приемлемой. Как видно из результатов испытаний, приводимых в табл. 33, лучшие свойства получаются при двойной закалке от 860 и 810° или одинарной закалке с температуры 850°. По данным ЦНИИЧЕРМЕТ [40] сталь марки 15ХР обеспечи­вает прокаливаемость в масле заготовок сечением до 35 мм, однако опыт применения этой стали Челябинским тракторным заводом свидетельствует о некоторой завышенноcти этих данных. Более правильно и во всяком случае более надежно величину прокали­ваемости этой стали при закалке в масле оценивать в 20—25 мм.

Сталь марки 15ХР чувствительна к скорости охлаждения при закалке, и поэтому, работая с ней, следует избегать окисления де­талей (наличия значительного слоя окалины), а также подстуживания деталей перед погружением в закалочную среду. По цементуемости сталь марки 15ХР практически не отли­чается от стали марки 15Х, обладая такой же способностью к пе­ренасыщению поверхностного слоя углеродом (с образованием из­быточных карбидов в виде сетки и зерен) при цементации на глу­бину слоя свыше 1,2 мм. Детали из стали марки 15ХР могут под­вергаться непосредственной закалке после цементации с обязательным подстуживанием. По комплексу своих свойств (механических, прокаливаемости, цементуемости) сталь марки 15ХР рекомен­дуется взамен стали марок 15Х, 13Н2 и, частично, стали марки 20ХН при изготовлении тонкостенных деталей.
Сталь 20ХГР была разработана и внедрена в практику Горьков­ского автомобильного завода в результате совместной работы его центральной заводской лаборатории (А. М. Тарасов) и НАМИ (И. И. Прокофьева) при участии Златоустовского металлургиче­ского завода (А. Г. Хасин) и ЦНИИЧЕРМЕТ. Марочный состав и гарантируемые свойства стали марки 20ХГР приводятся в табл. 32.

По уровню механических свойств сталь марки 20ХГР не уступает стали марки 20ХНМ, ранее применявшейся на ГАЗ для изготов-ления шестерен, сателлитов и других автомобильных деталей, но отличается лучшей обрабатываемостью и меньшей стоимостью [166]. Полоса прокаливаемости стали 20ХГР приведена на фиг. 89. Наиболее высокая прокаливаемость стали марки 20ХГР, как и других борсодержащих сталей, получается при совместном раскислении алюминием (0,8 кг/т) и титаном (0,06—0,07% по расчету). Сталь марки 20ХГР в термически обработанном состоя­нии имеет довольно высокие механические свойства, пока­затели которых по материа­лам контрольно-сдаточных ис­пытаний Златоустовского металлургического завода при­водятся ниже в табл. 34.
Наблюдающийся разброс зна­чений этих показателей объяс­няется колебаниями в содер­жании отдельных элементов (С, Мn, Сr) внутри их мароч­ного состава при относительно невысокой общей легирован­ности стали.
Сталь марки 20ХГР харак­теризуется несколько повы­шенным положением верхних критических точек (830—860°), и поэтому детали из нее под­лежат закалке с температуры 870—880° в масло. Эта же температура закалки была принята при термической обработке образцов, результаты испыта­ния которых приводились вщипе в табл. 34. Предел выносливости стали марки 20ХГР, по данным А. М. Тарасова [166], на 30% превосходит предел выносливости стали марки 20ХНМ. По тем же данным, шестерни из стали марки 20ХГР показали несколько иной характер и величину деформации, чем шестерни из стали марки 20ХНМ. Для получения нормального зацепления и пятна контакта при внедрении стали марки 20ХГР на Горьковском автозаводе была произведена корректировка зуба. После этого подбор пар на сборке проходило нормально. Будучи легирована исключительно карбофильными элементами (Сr, Мn, В) и не имея в своем составе карбофобных элементов (Ni, Si, Сu и др.), сталь марки 20ХГР склонна к перенасыщению по­верхностных зон цементованных слоев карбидами и тем сильней, чем больше глубина цементации. При обычных условиях цемен­тации в твердом карбюризаторе на глубину 1,5…1,8 мм содержа­
ние углерода в поверхностных зонах цементованного слоя дости­гает 2,0…2,5% при 1,2…1,3% для стали 20ХНМ. Мерами борь­бы с этим недостатком, являющимся типичным для всех хромо­марганцовых и хромомарганцовотитановых марок стали (18ХГТ, 30ХГТ и др.), являются снижение глубины слоя цементации и по­нижение активности карбюризатора. В случае цементации в твер­дом карбюризаторе это достигается при работе с малоактивным
карбюризатором, содержащим в рабочей смеси 1—2 % карбонатов, а при газовой цементации путем снижения активности цементации во втором ее периоде путем уменьшения подачи пиробензола или другой цементующей жидкости.Сталь марки 20ХГР может быть рекомендована как заменитель хромоникелевых (20ХН) и хромоникельмолибденовых (20ХНМ) цементуемых сталей для изготовления шестерен заднего моста, кулаков шарнира и других деталей легковых машин, а также для шестерен грузовых автомашин малого и отчасти среднего модуля.
Сталь 15ХГНР и 20ХГНР (ЧМТУ 178—59). Этих недостатков в значительной мере лишена новая высокопрочная сталь марки 20ХГНР, разработанная под руководством автора металловедами Челябинского тракторного завода (Е. А. Бондин, В. Н. Гончар) в совместной работе с Челябинским политехническим институтом (Л. С. Ляхович) и окончательно сформированная, освоенная и до­веденная до массового внедрения институтом металлургии (НИИМ, г. Челябинск). На 1 января 1963 г. Челябинский тракторный за­вод выпустил значительную часть тракторов, все шестерни ко­робки перемены передач и борторедукторов которых (19 наимено­ваний деталей) были изготовлены из стали марки 20ХГНР взамен ранее применявшейся стали марки 20ХНЗА. Каковы же преимущества и недостатки стали марки 20ХГНР? Ответ на этот вопрос дают прежде всего данные общесоюзных тех­нических условий (ЧМТУ 178—59) на поставку этой стали металлур­гическими заводами страны, приводимые в табл. 32. Если сопо­ставить эти требования с требованиями ГОСТ 4543 на любые дру­гие высокопрочные марки цементуемой стали, то станет очевидным, что по комплексу механических свойств сталь марки 20ХГНР зна­чительно превосходит их, в том числе сталь марок 12ХНЗА,
20ХНЗА, 12Х2Н4А и др. Фактические механические свойства стали марки 20ХГНР, со­гласно данным плавочного контроля первых 8000 т стали поставок Челябинского и Златоустовского металлургических заводов, Куз­нецкого и Орско-Халиловского металлургических комбинатов за
1959—1960 гг., обобщенный в виде точечной диаграммы, приводимой на фиг. 90, значительно превосходит требования технических ус­ловий в отношении прочностных и пластических свойств. Материал плавочного контроля, приводимый на фиг. 90, охватывает 95 про­мышленных плавок, разбитых на группы в зависимости от содержания углерода. Как видно из приведенных данных, с повышением содержания углерода в стали отмечается возрастание свойств проч­ности при незначительном снижении пластичности. Что же ка­сается ударной вязкости, то она остается высокой (10…15 кГм/см²) в 75% случаев от общего числа испытаний) и как бы не зави­сящей от содержания углерода в пределах марочного состава стали.
Опыт металлургических и машиностроительных предприя­тий Челябинского экономическо­го района свидетельствует о том, что содержание бора в стали должно находиться в пределах 0,001…0,003%, а не 0,003…0,006 %, как это нередко рекомендуется в технической литературе, так как при этом содержании бора (0,003—0,006%) в микроструктуре по границам бывших зерен аустенита отме­чаются выделения бористой фазы с одновременным снижением ве­личины ударной вязкости стали.
В узких пределах (0,02— 0,06%) следует выдерживать в стали также содержание ти­тана, так как в противном слу­чае он будет снижать пластиче­ские свойства стали, особенно на поперечно вырезанных образ­цах.
Важной особенностью стали марки 20ХГНР является глубо­кая ее прокаливаемость, значи­тельно превосходящая аналогич­ную характеристику стали ма­рок 20ХГР, 30ХГТ, 20ХНЗА и др. Высокая прокаливаемость стали марки 20ХГНР подтверж­дается также ходом кривых твердости по сечению закаленных
в масле цилиндрических образцов разного диаметра (фиг. 91).
Глубокая прокаливаемость стали марки 20ХГНР обеспечивает высокую стабильность свойств стали, независимость их от массы,
по крайней мере в образцах сечением до 75—100 мм (фиг. 92). Как видно из приведенных данных, в то время как предел прочности в 105 кГ/мм² в стали марки 20ХНЗА достигается в сечении не выше 40 мм, в стали марки 20ХГНР он не снижается до этой величины даже для образцов, вырезавшихся из центра заготовки диаметром 150 мм.
Другой важной особенностью стали марки 20ХГНР является малая склонность ее к хладноломкости, в чем она совершенно не
уступает свойствам стали марки 20ХНЗА (фиг. 93). Эта особенность стали марки 20ХГНР находит свое объяснение в интеграль­ном влиянии как наличия в ней 0,8…1,1% никеля, так и большого значения величины отношения Mn/C. Наличие в стали марки 20ХГНР небольшого количества никеля оказывает благотворное влияние также на качество цементованного слоя, резко снижая возможность его перенасыщения карбидами, даже при использо­вании относительно богатого карбюризатора (5…10% карбонатов).
Еще лучшие результаты достигаются при газовой цементации, когда при большой глубине слоя (2,25 мм) максимальное содер­жание углерода в нем не превышает 1,0…1,1%.
К числу преимуществ стали марки 20ХГНР следует отнести также относительно невысокое положение верхней критической точки (800…825°), что позволяет производить закалку деталей от 820—830°. По обрабатываемости на станках сталь марки 20ХГНР превосходит сталь марки 20ХНЗА, особенно если поковки (штам­повки) подвергались не нормализации, а краткосрочному отжигу. Режим отжига, осуществляемый на Челябинском тракторном заводе в толкательных печах, заключается в нагреве за 2 часа до860—870°, выдержке при этой температуре в течение 2—2,5 час. и в охлаждении в неотапливаемой хвостовой части печи в течение 4 час. После такого режима отжига твердость штамповок шестерен получается в пределах D_Бр=4,3…4,8 мм, микроструктура ферритно- перлитная.
Благодаря раскислению алюминием и титаном сталь марки 20ХГНР мелкозернистая так, 16% всех исследованных плавок по величине зерна отвечало 5 баллу (согласно ГОСТ 5639—51); 30%— 6 баллу; 45%—7 баллу и 9 %— 8 баллу. Эти же условия раскисле­ния обеспечивают устойчивость стали в отношении образования
структуры перегрева (камневидного излома) в процессе прокатки и штамповки, которые следует проводить в интервале 1250—900°.
Устойчивость против роета зерна аустенита качественно выплав­ленной и раскисленной стали марки 20ХГНР проявляется также в малой чувствительности ее механических свойств к температу­ре закалки. Последнее видно из данных, приводимых в табл. 35.
Этого нельзя сказать, однако, в отношении свойств цементован­ного слоя, в структуре которого с повышением температуры на­грева под закалку свыше 840° быстро нарастает количество оста­точного аустенита и соответственно падает твердость.

Как и у многих других легированных сталей, цементирован­ный слой стали марки 20ХГНР не терпит промежуточных скоро­стей охлаждения, в связи с чем шестерни по окончании процесса науглероживания должны охлаждаться либо замедленно (в цементационных ящиках — при цементации в твердом карбюризаторе
и в охладительных колодцах — при газовой цементации), либо после подстуживания до 800° быстро — в масле. В последнем слу­чае отпадает необходимость в применении специального нагрева. Первого способа, т. е. замедленного охлаждения шестерен после цементации, придерживаются в своей практике Челябинский и Харь­ковский тракторные заводы, второго — Минский тракторный за­вод. Выбор того или иного способа завершающей термической об­работки определяется степенью ответственности шестерен, их кон­фигурацией, допусками на коробление, условиями их работы в про­цессе эксплуатации. В обоих случаях шестерням дается низкий отпуск при 180—200°.
Характерным для шестерен из стали марки 20ХГНР являются не только высокие прочностные и пластические свойства сердце-вины и шестерен в целом, но и высокая контактная усталостная прочность цементованного и закаленного слоя. Так, согласно на­турным стендовым испытаниям зубчатых колес из стали марок 20ХНЗА и 20ХГНР и данным их металловедческого исследования, проведенного Научно-исследовательским институтом технологии
машиностроения (В. П. Антропов, Л. Л. Пятакова и др.) предел контактной усталостной выносливости был определен: для шестерен из стали марки 20ХНЗА— в 144 кГ/мм², а для таких же ше­стерен из стали марки 20ХГНР— в 160 кГ/мм².
Высокие эксплуатационные свойства шестерен из стали марки 20ХГНР подтверждены многолетним опытом эксплуатации трак­торов, выпускаемых Челябинским тракторным заводом, все шестер­ни коробки перемены передач и бортредуктора которых были из­готовлены из новой марки стали. Тысячи таких тракторов прора­
ботали уже по 5…6 и более гарантийных сроков (более 12000 час.), не имея ни одной аварии, ни одной рекламации. Вслед за Челябин­ским тракторным заводом сталь марки 20ХГНР была освоена и внедрена для изготовления шестерен на Минском и Харьковском заводах и сейчас успешно внедряется на Алтайском тракторном заводе, на заводах угольного машиностроения, на Кировском заводе в Ленинграде и др.
Приведенные свойства стали марки 20ХГНР позволяют реко­мендовать ее не только для шестерен и других цементуемых дета­лей, применяемых в автотракторостроении, но и в тяжелом и гор­но-заводском машиностроении, а также транспортном машино­строении, для деталей, все еще изготовляемых из сталей марок 12ХНЗА, 20ХНЗА и частично 12Х2Н4А или 20Х2Н4А.
Сталь марки 15ХГНР (ЧМТУ № 387—60). При всех своих до­стоинствах сталь марки 20ХГНР не является универсальной уже хотя бы потому, что высокая прочность и твердость сердечника, получающаяся после закалки, может затруднять последующую механическую обработку (например, протяжку шлицев) деталей
в тех случаях, где она вызывается необходимостью. В тракторах Т-80, Т-100, ДТ-54 и многих других конструк­циях таких деталей нет, а, например, в тракторе ДЭТ-250 они име­ются, и для них конструкторы до последнего времени предусматри­вали применение стали марки 12ХНЗА, т. е. стали той же леги­рованности, что и сталь марки 20ХНЗА, но с пониженным содержа­нием углерода. Аналогично двум модификациям стали типа ХНЗА (20ХНЗА) был отработан марочный состав стали марки 15ХГНР (табл. 32), являющейся мягкой модификацией стали марки 20ХГНР, и изучены ее свойства на специально отливавшихся лабораторных
и производственных плавках.
Пониженное содержание углерода в стали марки 15ХГНР (0,11—0,17%) предопределяет более высокое положение верх­ней критической точки (А_c3=830-г 850°), а следовательно, и необ­ходимость некоторого повышения, по сравнению со сталью марки 20ХГНР, температуры нагрева цементованных деталей под закал­ку. Влияние содержания углерода на механические свойства че­тырех плавок марки 15ХГНР приводится в табл. 36
Повышение температуры нагрева под закалку до 870° значи­тельно увеличивает весь комплекс механических свойств стали, в том числе значения динамической вязкости, приводя, однако, к появлению в структуре цементованного и закаленного слоя участ­ков остаточного аустенита и к снижению твердости до 56—59 НRС.
Приведенные данные и, в еще большей мере, результаты исследо­ваний промышленных плавок подтвердили полную возможность удовлетворения сталью марки 15ХГНР всех требований ГОСТ 4543, предъявляемых к свойствам сердцевины стали 12ХНЗА. По характеристике прокаливаемости (определяемой методом торцовой закалки) сталь марки 15ХГНР не только не уступает, но даже превосходит свойства стали марки 12ХНЗА. При опре­делении прокаливаемости стали марки 15ХГНР методом закалки пробных брусков (фиг. 94) сквозная прокаливаемость (HRС>25) была подтверждена для образцов всех плавок (с содержанием в них углерода от 0,12 до 0,16%) и по всему сечению брусков, вплоть до размера в 50 мм. Подобно стали марки 20ХГНР, сталь
марки 15ХГНР отличается хорошей устойчивостью механических свойств с увеличением массы термически обрабатываемых загото­вок (фиг. 95).
Малая чувствительность стали марки 15ХГНР к снижению температуры испытаний говорит также в пользу замены ею стали марки 12ХНЗА. Микроструктура, твердость и свойства цементо­ванного слоя стали марки 15ХГНР практически не отличаются
от свойств, присущих цементованному слою стали марки 20ХГНР, поэтому специально останавливаться на этом нет необходимости.
Решением Технического совета Государственного комитета Со­вета Министров СССР по автоматизации и механизации сталь мар­ки 15ХГНР рекомендуется к внедрению взамен стали марки 12ХНЗА и др. Челябинским и Онежским тракторными заводами,
Рижским вагоностроительным заводом и другими предприятиями отечественного машиностроения сталь марки 15ХГНР принята к внедрению взамен стали марки 12ХНЗА для изготовления некоторых цементуемых деталей ответственных дизелей, тракторов (ДЭТ-250, ДТТ-50), электровозов и других машин.
Сталь марок 14ХГ2СР и 14ХГ2НР (ЧМТМ 388-60). Кроме стали марок 12ХНЗА и 20ХНЗА в советском машиностроении широкое распространение получила сталь марки 12Х2Н4А. Состав этой стали обеспечивает не только высокий уровень механических свойств закаленной сердцевины и повышенную прокаливаемость, но и возможность ее обработки резанием. Исходя из определенных принципов легирования цементуемых марок стали (возможность и целесообразность применения для этих целей сталей, легирован­ных марганцем и хромом и одновременно микролегированных бо­ром; сбалансированность карбофильных и карбофобных элементов и пр.) в Челябинском научно-исследовательском институте метал­лургии были разработаны две новые стали марок 14ХГ2НР и 14ХГ2СР взамен стали марки 12Х2Н4А. Механические и техно­логические свойства новых марок не уступают свойствам заменяе­мой ими стали. Гарантируемые (минимальные) механические свой­ства стали марок 14ХГ2НР и 14Х2Г2СР, предусматриваемые
в технических условиях ЧМТУ/ЦНИИЧМ 388-60, приводятся в табл. 32. Фактический уровень механических свойств этих марок стали значительно превосходит требования ТУ: σ_b=120…145 кГ/мм²; σ_b≥110…135 кГ/мм² δ=13…15%; ψ=60—66% и ан=14-416 кГм/см². По своему составу обе марки 14ХГ2НР и 14ХГ2СР являются двумя модификациями одной и той же стали - ее никелевым и кремниевым вариантами. Никелевый вариант этой марки стали (Ni=0,6-0,9% ), обеспечивая, как это будет видно из дальней­шего, несколько лучшие технологические свойства, предусматри­вает также возможность ее выплавки с использованием никеля природнолегированных руд Орско-Халиловского месторождения.
Для стали марки 14ХГ2НР положение верхней критической точки отвечает 780—820° (в зависимости от внутримарочного со­става), а для стали марки 14ХГ2СР 820—850°. В соответствии с приведенными данными оптимальный, интервал температуры на­грева под закалку стали марки 14ХГ2НР был определен в 810—
830°, а стали 14ХГ2СР 840—850°. Сталь марки 14ХГ2Н(С)Р характеризуется глубокой прокаливаемостью и стабильностью механических свойств в закаленных образцах различного сечения при малой склонности к хладнолом­кости. На фиг. 96 приводятся кривые прокаливаемости двух про­мышленных плавок стали марок 14ХН2НР и 14ХГ2СР в сопостав­лении с полосой прокаливаемости стали 12Х2Н4А. Здесь же дана кривая прокаливаемости стали 14ХГ2С такого же состава, как и сталь 14ХГ2СР, но только выплавленной без микролегирования ее бором. Приведенные данные подтверждают идентичность харак­теристик прокаливаемости не только у стали обеих модификаций, но и при сопоставлении их с прокаливаемостью стали 12Х2Н4А. Они интересны также и тем, что еще раз наглядно демонстрируют высокую эффективность влияния малых добавок бора на прокали­ваемости стали.