Конструкционная сталь

Что собой представляет конструкционная сталь

К данной категории относятся углеродистые стали, которые должны обладать целым набором технологических характеристик, определяющих эффективную и длительную эксплуатацию изделий из них. Это возможно благодаря тому, что специалисты тщательно подбирают химический состав сплавов, постоянно совершенствуют методы упрочнения их поверхностного слоя, используют различные технологии термообработки, а также металлургические методы, позволяющие значительно повысить качество готового металла.

По назначению конструкционные стали делятся на два типа:

  • сплавы для производства продукции в машиностроительной сфере;
  • строительные конструкционные стали, которые также называют арматурными (они отличаются в том числе хорошей свариваемостью).

Углеродистые стали, которые называют конструкционными, могут быть общего или специального назначения. В их химическом составе, кроме полезных добавок, содержатся и вредные примеси, наиболее значимыми из которых являются сера и фосфор. Повышенное содержание данных элементов в составе стали делает изделия из нее очень хрупкими, а также значительно ухудшает их свариваемость.

Химический состав углеродистых конструкционных сталей

Именно из-за серьезного влияния таких вредных примесей, как сера и фосфор, на характеристики конструкционных углеродистых сталей в зависимости от количественного содержания данных элементов такие сплавы подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

В конструкционных углеродистых сталях данных категорий сера и фосфор содержатся в следующих количествах:

  • в сплавах обыкновенного качества (их можно отличить по маркировке «Ст») – не более 0,05%;
  • качественных (обозначаются как «Сталь») – не более 0,035%;
  • высококачественных (маркируются буквой «А») – не более 0,025%;
  • отличающихся особо высоким качеством (маркировка – буква «Ш») – не более 0,015%.

Качественные углеродистые конструкционные стали и области их использования

Виды нелегированных углеродистых сталей по содержанию углерода

Низкоуглеродистые с содержанием C не более 0,25%

Большая часть этой продукции выпускается в виде холоднокатаных или отожженных листов и полос. Свойства, а следовательно области ее применения, зависят от процентного соотношения компонентов:

  • До 0,1% C, Mn менее 0,4%. Высокая способность к горячей деформации и холодному волочению. Материалы востребованы при производстве проволоки, очень тонкого листа, используемого при изготовлении тары, а также для изготовления корпусов автомобилей.
  • C 0,1-0,25%. Способность к деформированию ниже, чем у вышеописанной группы, но твердость и прочность выше. Часто эти марки востребованы для производства деталей с цементуемым поверхностным слоем. Процесс цементации позволяет получить износостойкий поверхностный слой в сочетании с вязкой сердцевиной. Это актуально для валов и шестерен.
  • C на уровне 0,25%, Mn и Al – до 1,5%. Обладают высокой вязкостью. В металлы, предназначенные для штамповки, ковки, производства бесшовного трубного проката и листа для котлов, алюминий не добавляют.
  • C на уровне 0,15%, Mn – до 1,2%, Pb до 0,3% или без него, минимальное количество Si. Эту группу применяют в массовом производстве на автоматических линиях деталей, не предназначенных для восприятия серьезных механических и температурных нагрузок. Для изделий с высокими требованиями по пластичности, вязкости, коррозионной стойкости сплавы не применяются.

Среднеуглеродистые с C0,2-0,6%

Содержание марганца обычно находится в пределах 0,6-1,65%. Применяются при производстве продукции, запланированной для эксплуатации при высоких нагрузках. Обычно их производят спокойными. Упрочняются нагартовкой или термообработкой. Все стали этой группы могут подвергаться ковке. Данная металлопродукция широко применяется в машиностроении. Марки с высоким содержанием углерода (0,4-0,6%) востребованы при производстве железнодорожных рельсов, колес и осей вагонов.

Высокоуглеродистые – 0,6-2,0%

Повышение количества углерода до 1% приводит к росту прочности и твердости при постепенном снижении предела текучести и пластичности. При росте процентного соотношения C выше 1% начинается формирование грубой сетки из вторичного мартенсита, приводящей к понижению прочности материала. Поэтому стали с содержанием C более 1,3% практически не изготавливают.

Высокоуглеродистые марки имеют высокую себестоимость изготовления, обладают низкой пластичностью, плохо свариваются. Область применения этой группы достаточно ограничена – производство режущего инструмента, в том числе предназначенного для землеройной и сельскохозяйственной техники, изготовление высокопрочной проволоки.

Классификация стали

Все углеродистые стали, в зависимости от области предназначения, разделяются на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали, и делятся по нескольким параметрам:

  • Метод раскисления.
  • Состав химических элементов.
  • Микроструктура.
  • Качество.

Согласно основным стандартам, углеродистые стали делятся на:

  • Конструкционную обычную.
  • Конструкционную качественную.
  • Инструментальную качественную.
  • Инструментальную высокого качества.

Плотность сплавов и их термообработка – что полезно знать?

При колебаниях температуры от +20 до +900° плотность рассматриваемых сталей практически не изменяется. Эта величина находится в пределах 7,7–7,9 г/куб.см. По сути, плотность УС аналогична показателю плотности железа. Это логично, ведь основу любого углеродистого сплава составляет именно оно. Изменить плотность, а также свойства и структуру УС позволяет их термообработка. Под такой операцией понимают нагрев сплава, а затем его охлаждение.

Плотность сплавов и их термообработка – что полезно знать?

Термообработка стали

Термическая обработка углеродистых сталей бывает следующих видов:

  • отжиг;
  • отпуск;
  • закалка;
  • нормализация.

Применение отжига металла позволяет получить сплавы со структурой, мало чем отличающейся от равновесной. Такая операция осуществляется по простой схеме: нагрев металла до определенной температуры и его выдержка в течение заданного времени, а затем охлаждение проката (оно происходит, как правило, вместе с печью на протяжении относительно длительного временного отрезка). Закалка углеродистой стали производится аналогичным образом. Но охлаждается нагретый металл в данном случае с заданной (достаточно быстрой) скоростью. Она подбирается металлургами так, чтобы готовый прокат получил полностью мартенситную структуру. При закалке обязательным является применение специальных масел, соляных растворов либо воды. Эти жидкости обеспечивают быстрое охлаждение УС.

Отпуск дает возможность получить прокат с определенными свойствами. Он применяется только для закаленных ранее сплавов. Отпуск обеспечивает снятие напряжений (внутренних) в металле и повышение его механических параметров. Углеродистая сталь, кроме того, может подвергаться нормализации (нагрев, выдержка и остывание естественным путем на открытом воздухе). Такой процесс не относят к основным типам термообработки. Он, скорее, представляет собой подвид стандартной закалки или отжига.

Стали углеродистые обыкновенного качества

Относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых. Из них получают до 70% всего проката – горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового. Из этих сталей изготовляют трубы, поковки, штамповки, ленту, проволоку, металлические изделия (метизы): гвозди, канаты, сетки, болты, гайки, заклепки, а также мало- и средненагруженные детали; штифты, шайбы, шпонки, крышки, кожухи, а из стали номеров 4-6 – валы, винты, зубчатые колеса и шпиндели. Стали обыкновенного качества хорошо свариваются.

В зависимости от назначения углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют (ГОСТ 380- 94) на три группы:

  • А – поставляемые по механическим свойствам,
  • Б – поставляемые по химическому составу,
  • В – поставляемые по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей (прочностная характеристика, химический состав) сталь каждой группы подразделяют на

  • группа А – 1, 2 и 3-я;
  • группа Б – 1, 2,-я;
  • группа В – 1, 2, 3, 4, 5, 6-я.

Буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6 – условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности σв и предел текучести σт и уменьшается относительное удлинение δ. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная (например: СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп; табл. 1 и 2).

Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества группы А и примерное назначение углеродистой стали обыкновенного качества приведены в табл. 1.

Таблица 1. Стали углеродистые, их механические свойства и назначение

Марка стали Свойства Примерное назначение
σв, МПа σт, МПа δ, %
Ст0 Не менее

300

23 Неответственные строительные конструкции,

прокладки, шайбы, кожухи. Свариваемость хорошая

Ст1кп

Ст1пс, Ст1сп

300-390

310-410

35 Малонагруженные детали металлоконструкций –

заклепки, шайбы, шплинты, прокладки, кожухи.

Свариваемость хорошая

Ст2кп

Ст2пс, Ст2сп

320-410

330-430

215

225

33 Детали металлоконструкций – рамы, оси, ключи,

валики, цементируемые детали. Свариваемость хорошая

СтЗкп СтЗпс, СтЗсп СтЗГпс

СтЗГсп

360-460

370-480

370-490

390-570

235

245

245

27

Рамы тележки, цементируемые и цианируемые детали,

от которых требуется высокая твердость поверхности и

невысокая прочность сердцевины, крюки кранов,

кольца, цилиндры, шатуны, крышки

Ст4кп

Ст4пс, Ст4сп

400-510

410-530

255

265

25 Валы, оси, тяги, пальцы, крюки, болты, гайки,

детали при невысоких требованиях к прочности

Ст5пс, Ст5сп

Ст5Гпс

490-630

540-590

285

285

20 Валы, оси, звездочки, крепежные детали, зубчатые

колеса, шатуны, детали при повышенных требованиях к прочности

Ст6пс

Ст6сп

Не менее

590

315

315

15 Валы, оси, бойки молотов, шпиндели, муфты

кулачковые и фрикционные, цепи, детали с высокой прочностью

Для возможности распознания марок стали при складировании, прокат маркируют несмываемой краской. Для этого, независимо от группы и степени раскисления стали, используют краску цветов, указанных в табл. 2.

Таблица 2. Цвет маркировки стали углеродистой обыкновенного качества

Марка стали Цвет маркировки Марка стали Цвет маркировки
Ст0 Красный и зеленый СтЗГпс Красный и синий
Ст1 Белый и черный Ст4 Черный
Ст1Гпс Белый и красный Ст4Гпс Черный и красный
Ст2 Желтый Ст5 Зеленый
Ст2Гпс Желтый и красный Ст6Гпс Зеленый и белый
Ст3 Красный Ст6 Синий

Классификация по химическому составу

Химический состав стали бывает углеродистым и легированным. Первые состоят из железа, постоянных примесей и углерода. В свою очередь, они подразделяются на:

  • низкоуглеродистые (до 0,2-0,3% углерода);
  • среднеуглеродистые (0,2-0,45%);
  • высокоуглеродистые (от 0,45%).

Легированная сталь также содержит металлы и неметаллы. Они придают материалу более высокие механические и физикохимические свойства. Легировать – это значит сплавлять. Этот вид стали по химическому составу подразделяется на:

  • низколегированные (до 2,5% присадок);
  • среднелегированные (2,5-10%);
  • высоколегированные (от 10%).

HTB1gktQa4_rK1RkHFqDq6yJAFXaY.jpg

Технология изготовления

Изготовление стали в металлургической промышленности производится различными способами. Каждый метод производства отличается, в зависимости от применяемого оборудования. Так, все оборудование для производства углеродистых сталей можно разделить на три типа:

  • Конверторные плавильные печи.
  • Печи мартеновского типа.
  • Электрические печи.

Конверторные

Конверторные печи осуществляют расплавление всего состава сплава. При таком методе расплавленная масса подвергается обработке техническим кислородом. Для очистки раскаленной массы от разнообразных примесей в нее добавляют известь. Так удается превратить примеси в шлак. Во время производственного процесса активно происходит процесс окисления металла. Это провоцирует выделение большого количества угара.

Изготовление углеродистых сталей в печах конверторного типа имеет существенный недостаток. К нему относится то, что при работе происходит выделение большого количества пыли. Это приводит к необходимости установки дополнительных фильтровальных установок, что влечет за собой затраты денежных средств. Несмотря на это, конверторный метод имеет высокую производительность, и широко применяется в металлургии.

Мартеновские

Получение различных марок углеродистой стали с использованием печей мартеновского типа дает возможность получить конечный продукт высокого качества. Производственный процесс происходит следующим образом:

  • В специализированный отсек печи загружаются составляющие сплава: чугун, стальной лом и т. д.;
  • Весь состав нагревается до высокой температуры;
  • Под воздействием температуры все составляющие превращаются в однородную раскаленную массу;
  • При плавлении происходит взаимодействие всех компонентов сплава железа и углерода;
  • Материал, получившийся в результате химического взаимодействия, выходит из печи.

Принцип работы мартеновской печи

Электрические

Способ получения различных марок углеродистой стали в электрических печах отличается от вышеперечисленных. Его отличие состоит в способе нагрева состава. Применение электричества для разогрева компонентов снижает окисляемость металла. Это значительно уменьшает количество водорода в составе металла, что улучшает структуру сплава и влияет на качество окончательного продукта.

Углеродистая качественная конструкционная сталь

Нормативный документ: качественная конструкционная углеродистая сталь изготовляется согласно ГОСТ 1050-88, ГОСТ 1051-73.

Углеродистая сталь — сталь, не имеющая в своем составе легирующих элементов, но содержащая углерод в различной концентрации: до 0,25% — низкоуглеродистая сталь, 0,24-0,6% среднеуглеродистая сталь, более 0,6 — высокоуглеродистая сталь.

Классификация углеродистых сталей

По качеству

  • обыкновенного качества;
  • повышенного качества;
  • качественная.

По назначению сталь обыкновенного качества:

  • А — поставляется по механическим свойствам, применяется в изделиях, подвергающихся горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства;
  • Б — поставляется по химическому составу, применяется для деталей, подвергающихся обработке, которая может изменить регламентируемые механические свойства, при этом их уровень кроме условий обработки определяется хим. составом;
  • В — поставляется по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке.

По степени раскисления:

  • кипящая — кп;
  • полуспокойная — пс;
  • спокойная сталь без термической обработки — сп.

По химическому составу для качественной стали:

  • I — с нормальным содержанием марганца ( Mn 0,80%);
  • II — с повышенным содержанием марганца (Mn 1,2%) — Г.

Марки качественной конструкционной углеродистой стали

Углеродистая сталь обыкновенного качества: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Стбпс, Стбсп.

Углеродистая качественная сталь: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60 — машинная сталь; А12, А20, А30 — автоматная сталь.

Обозначение марки стали: «Ст» — сталь, следующие за ней цифры — условный номер марки в зависимости от химического состава, затем указывается степень раскисления («кп», «пс», «сп»).

Заменители некоторых марок стали:

  • Ст20 — Ст15, 25;
  • Ст35 — Ст30, 40, 35Г;
  • Ст45 — 40Х, Ст50, 50Г2.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Марка сталиОбласть применения
08кп, 10 Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж. Цементуемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины.
15, 20 Малонагруженные детали: валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни. Тонкие детали, работающие на истирание: рычаги, крюки, траверерсы, вкладыши, болты, стяжки и др.
30, 35 Детали, испытывающие небольшие напряжения: оси, шпиндели, звездочки, тяги валы и т.п.
20к Котельная сталь.
40, 45 Детали с повышенной прочностью: коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики и др.
50, 55 Зубчатые колеса, прокатные валки, штоки, бандажи, валы, малонагруженные пружины и др.
60 Детали с высокими прочностными и упругими свойствами: прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов.
А12, А20, А30 Неответственные детали массового производства, изготавливаемые на станках-автоматах.

Свариваемость: хорошая для котельных сталей и сталей марок Ст08-Ст35; затрудненная для стали Ст45; автоматные стали не применяются для сварки.

Классификация по степени раскисления

На разделение углеродистых сталей на различные типы оказывает влияние в том числе такой параметр, как степень раскисления. В зависимости от данного параметра углеродистые стальные сплавы делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Более однородной внутренней структурой отличаются спокойные стали, раскисление которых осуществляют, добавляя в расплавленный металл ферросилиций, ферромарганец и алюминий. За счет того, что сплавы данной категории были полностью раскислены в печи, в их составе не содержится закиси железа. Остаточный алюминий, который препятствует росту зерна, наделяет такие стали мелкозернистой структурой. Сочетание мелкозернистой структуры и практически полное отсутствие растворенных газов позволяет формировать качественный металл, из которого можно изготавливать наиболее ответственные детали и конструкции. Наряду со всеми своими достоинствами углеродистые стальные сплавы спокойной категории имеют и один существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

Более дешевыми, но и менее качественными являются кипящие углеродистые сплавы, при выплавке которых используется минимальное количество специальных добавок. Во внутренней структуре такой стали из-за того, что процесс ее раскисления в печи не был доведен до конца, присутствуют растворенные газы, которые негативно отражаются на характеристиках металла. Так, азот, содержащийся в составе таких сталей, плохо влияет на их свариваемость, провоцируя образование трещин в области сварного шва. Развитая ликвация в структуре этих стальных сплавов приводит к тому, что металлический прокат, который из них изготовлен, имеет неоднородность как по своей структуре, так и по механическим характеристикам.

Промежуточное положение и по своим свойствам, и по степени раскисления занимают полуспокойные стали. Перед заливкой в изложницы в их состав вводят небольшое количество раскислитилей, благодаря чему металл затвердевает практически без кипения, но процесс выделения газов в нем продолжается. В итоге формируется отливка, в структуре которой содержится меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Такие внутренние поры в процессе последующей прокатки металла практически полностью завариваются. Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется в качестве конструкционных материалов.

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к углеродистой стали можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

Скачать ГОСТ 380-2005 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки
Скачать

Марки и характеристики машиностроительных конструкционных сплавов

Машиностроительные стали специального назначения могут иметь никелевую или железоникелевую основу. Кроме того, их подразделяют на следующие

  • используемые для производства изделий методом литья;
  • так называемые автоматные;
  • отличающиеся повышенной износостойкостью;
  • с повышенной коррозионной устойчивостью;
  • шарикоподшипниковые;
  • пружинные;
  • отличающиеся повышенной жаростойкостью;
  • криогенные, не теряющие своих качественных характеристик при воздействии низких температур;
  • жаропрочные.

Марки автоматных сталей

Жаростойкие стальные сплавы, в химическом составе которых содержится незначительное количество кремния, могут успешно эксплуатироваться при температурах, достигающих 5500 Цельсия. Такие углеродистые стали, кроме своей жаростойкости, отличаются целым рядом значимых характеристик: они успешно эксплуатируются в окислительных и науглероживающих средах, не подвергаются газовой коррозии. Есть у них и серьезный недостаток, проявляющийся в том, что под воздействием значительных нагрузок они начинают проявлять ползучесть.

К наиболее популярным маркам таких сталей относятся 12Х17, 15Х28, 15Х6СМ, 20Х20Н14С2 и др. Они используются преимущественно для производства:

  • емкостей, в которых выполняется цементация стальных деталей;
  • деталей двигателей поршневого типа;
  • трубных изделий различного назначения.

Свойства жаропрочных сталей

К группе криогенных сплавов, которые отличаются высокой вязкостью и пластичностью, могут относиться как низкоуглеродистые, так и высоколегированные стали. Что характерно, ползучесть таких сталей повышается не только при понижении температуры их эксплуатации, но и при выполнении термической обработки, которая заключается в нормализации и последующем отпуске. Маркировка конструкционных сплавов данного типа регламентируется требованиями соответствующего ГОСТа (5632).

Конструкционные углеродистые стали, относящиеся к категории жаропрочных, обладают повышенной ползучестью. Их отличает и такое качество, как высокая сопротивляемость химической коррозии. Эти углеродистые стали оптимально подходят для производства труб, деталей газовых и паровых турбин, работающих при температурах в интервале 400–6500 Цельсия. Наиболее востребованными марками являются 15ХМ, 15Х5М, 12Х18Н9Т, ХН70Ю и др.

Цельнокованый ротор турбины, произведенный из стали 25Х1М1ФА

Конструкционные углеродистые стали, относящиеся к категории коррозионностойких, отличаются тем, что в их составе содержится более 12,5% хрома. Именно данный элемент дает возможность успешно использовать их для производства изделий, которые испытывают воздействие агрессивных сред (трубы различного назначения, карбюраторные валы, лопатки паровых турбин и др.). Такие стали могут быть нескольких типов:

  • с мартенситной структурой (30Х13, 12Х13, 20Х17Н2, 95Х18);
  • с мартенситно-стареющей (09Х15Н8Ю, 10Х17Н13М3Т);
  • с аустенитной и ферритной (12Х18Н10Т, 15Х28 и др.).

Чтобы изделия из конструкционных углеродистых сталей всех указанных выше типов хорошо сваривались, их необходимо подвергнуть отпуску. Примечательно, что, несмотря на значительные различия в своих качественных характеристиках, жаропрочные, жаростойкие и криогенные стали принадлежат к коррозионностойким сплавам.

Стали углеродистые инструментальные

Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.

Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99):

  • качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
  • высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А.

В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных – 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:

  • 1-я – качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патенти- рованной проволоки и ленты);
  • 2-я – высококачественные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы;
  • 3-я – стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников;
  • 4-я – стали всех марок для производства патентированной проволоки и ленты;
  • 5-я – стали марок У7÷У13 для изготовления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали этих марок для производства горячекатаной и кованой сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки).

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью (63÷64 HRC3), значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).

Измерительный инструмент, изготовленный из такой стали, должен быть прочным (ав = 590÷640 МПа), длительное время сохранять заданные размеры и форму. Рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой стали, должны иметь высокую твердость, обладать износостойкостью при достаточной вязкости. Все это достигается путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. В табл. 6 приведены свойства углеродистой инструментальной стали, в табл. 7 – примерное назначение инструментальной углеродистой стали.

Таблица 6. Свойства стали углеродистой инструментальной (ГОСТ 1435 — 74)

Марка стали Механические свойства
σт σв

МПа

δ, % Дж/см3 HRС
У7А 630 21 63
У8А 590 63
У10А 590 23 63
УНА 63
У12А 640 28 64
У13А 64

Таблица 7. Примерное назначение стали углеродистой инструментальной

Марка стали Назаначение
У9 Деревообрабатывающий режущий инструмент (сверла, фрезы, ножи) и ножовочные полотна для обработки стали
У10, У11 и У12 Металлорежущий инструмент (фасонные резцы, сверла, метчики, плашки, развертки, фрезы, напильники и ходовые винты прецизионных станков)
У13 Бритвенные ножи, лезвийный хирургический инструмент и напильники
У7 и У8 Слесарные молотки, зубила, губки тисков, шаблоны, скобы
У8, У9 и У10 Детали микрометрического инструмента, гладкие и резьбовые калибры, цанги, фрикционные диски, пружины и др.

Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зернистый цементит, который способствует лучшей обрабатываемости резанием и уменьшает коробление деталей при закалке.

Легированные конструкционные стали

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском в районе 550—680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность.

Легирующие элементы — химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях — в пределах 0.25-0.50 %.

Маркировка

  • Две цифры в начале маркировки указывают на конструкционные стали. Это содержание в стали углерода в сотых долях процента.
  • Буква без цифры — определённый легирующий элемент с содержанием в стали менее 1 %.(А — азот, Р — бор, Ф — ванадий, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Х — хром, П — фосфор, Ч — редкоземельные металлы, В — вольфрам, Т — титан, Ю — алюминий, Б — ниобий)
  • Буква и цифра после неё — определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).
  • Буква А в конце маркировки — указывает на высококачественную сталь.

Например 38Х2Н5МА — это среднелегированная высококачественная хромоникелевая конструкционная сталь. Химический состав: углерод — около 0,38 %; хром — около 2 %; никель — около 5 %; молибден — около 1 %.

Особенности других типов конструкционных сталей

Конструкционные сплавы, относящиеся к категории износостойких, содержащие в своем составе значительное количество легирующих добавок, могут быть низко- и высокоуглеродистыми. Из таких сталей, отлично противостоящих не только механическому изнашиванию, но и кавитационной коррозии, производят элементы дробильного оборудования, траки, лопасти насосного оборудования и др. Наиболее популярными марками этих сплавов являются ОХ14АГ12, ОХ14АГ12М, 12Х18Н9Т, Г13.

Углеродистые стали, которые относятся к категории автоматных (А40Г, АЦ40Г2, АЦ45Х и др.), включают различные элементы: 0,6–1,5% марганца, 0,05–0,16% фосфора, 0,05–0,3% серы. Углерода в таких сплавах содержится до 0,45%. Значительно улучшить их качественные характеристики позволяет добавление таких элементов, как селен, свинец и кальций. Из этих конструкционных углеродистых сталей, не отличающихся высокой прочностью, изготавливают детали для автопрома: болты, шпильки, шайбы и др.

Сферы применения некоторых пружинистых сталей

Пружинистые стали (50ХФА, 55С2, 60С2ХФА, 65ГЮ, 70С2ХА и др.) в полном соответствии со своим названием отличаются хорошей вязкостью и пластичностью, также их характеризуют высокая прочность и упругость. Сюда относятся как низколегированные, так и среднеуглеродистые сплавы, в которых содержится 0,6–0,8% углерода. При их сваривании могут образовываться трещины. Такие стали используются для производства пружин и рессор различного назначения.

К категории улучшаемых относят конструкционные стали, внутреннюю структуру которых составляет мартенсит в форме мелких игл. В плотной структуре таких углеродистых сплавов отсутствуют неметаллические включения, а также карбидная ликвация и сетка. Главными достоинствами этих низколегированных и высокоуглеродистых сталей (содержание углерода – до 1,05%) являются повышенная твердость и износостойкость. Отличительной особенностью маркировки таких сплавов является то, что она всегда начинается с литеры «Ш» (ШХ4, ШХ15Ш, ШХ15СГ и др.).

Сталь марки ШХ15 применяется для производства изделий. от которых требуется износостойкость, высокая твердость и контактная прочность

Роль углерода в упрочнении стали

Содержание углерода в стали является главным «ключом» при упрочнении стали путем ее нагрева и быстрого охлаждения – закалки. Именно содержание углерода определяет максимальный уровень твердости, которые может быть достигнут в стали. Влияние содержания углерода на достижимую твердость показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость максимальной твердости стали в зависимости от содержания в ней углерода

Максимальная твердость в стали

Максимальная твердость требует только 0,60 %% углерода, что может показаться странным. Из диаграммы состояния железо-цементит было бы логично предположить, что твердость должна возрастать, пока содержание углерода не достигнет 0,77 %.Однако, как мы видим на рисунке 1, существенного увеличения твердости после содержания углерода 0,60 % не наблюдается. Не смотря не эту странность, эти данные совершенно надежны и легко воспроизводятся на очень тонких образцах углеродистой стали.

Эти данные на рисунке 1 настолько точные, что часто применяются для обратной задачи, а именно – быстрого определения содержания углерода в неизвестной стали. Для этого отрезают тонкие образцы этой стали, нагревают до температуры выше температуры превращения в стали, закаливают их в воде и по уровню твердости оценивают содержание углерода в стали.

Если уровень твердости в образце около 50 HRC, то содержание углерода в стали составляет около 0,20 %, при твердости около 60 HRC – 0,40 %. Очевидно, что этот метод не работает при твердости выше 60 HRC, так как твердость там уже почти не зависит от содержания углерода.

Для обычной практики термической обработки сталей надо помнить, что данные на рисунке 1 основаны на термической обработке очень тонких образцов, которые охлаждались с их температуры аустенитизации до комнатной температуры в течение нескольких секунд с образованием мартенсита по всей их толщине. Поэтому идеальные условия, показанные на рисунке 1, редко встречаются на практике.

Влияние размера изделия на твердость стали

В условиях промышленной практики величины твердости стали, указанные на рисунке 1 достигаются редко. Наиболее важным фактором, который влияет на максимальную твердость, достигаемую при термическом упрочнении стали, является масса металла, который подвергается закалке. Из малых образцов тепло «извлекается» очень быстро и критическая скорость охлаждения для 100 %-ного образования мартенсита превышается значительно. Критическая скорость охлаждения – это такая скорость охлаждения, которая предотвращает образование в тсали немартенситных продуктов распада аустенита. С увеличением размеров сечения изделия становится трудно «извлечь» из него тепло достаточно быстро, чтобы избежать образования в стали немартенситных структур.



Стали повышенной обрабатываемости (автоматные)

К сталям с повышенной обрабатываемостью или автоматным сталям относят стали с высоким содержанием серы и фосфора, а также стали, специально легированные селеном (Se), теллуром (Те) или свинцом (Pb). Указанные элементы способствуют повышению скорости резания, уменьшают усилие резания и изнашиваемость инструмента, улучшают чистоту и размерную точность обработанной поверхности, облегчают отвод стружки из зоны резания и т. д. Эти стали используют в массовом производстве для изготовления деталей на станках-автоматах.

Стали с повышенным содержанием серы и фосфора обладают пониженными механическими свойствами и их используют для изготовления малонагруженных неответственных деталей (например, метизов).

По мере развития технологий лазерной резки были разработаны специальные конструкционные стали для лазерной резки. Их отличительной особенностью является более предсказуемое поведение листа после резки (пониженный уровень внутренних напряжений в металле).

Маркировка

В начале обозначения марки автоматной стали всегда стоит буква «А», например А12, А20, А35.

Конструкционные стали в строительстве

Конструкционные углеродистые стали, используемые в строительстве, отличаются небольшим объемом легирующих элементов (хрома, марганца и кремния), а также содержанием углерода в пределах 0,1–0,2%. Такие стали, кроме хорошей свариваемости, наделены следующими характеристиками, которые особенно полезны при изготовлении строительных конструкций:

  • хорошей ковкостью и жидкотекучестью;
  • высокой твердостью и ударной вязкостью;
  • оптимальными параметрами относительного удлинения и прочности.

При сооружении мостовых переходов и путепроводов используются стали 10ХСНД, 15ХСНДА, 16Д ГОСТ 6713-91 и другие

Изготовление изделий, используемых в строительной сфере, не из углеродистых, а из низколегированных сталей позволяет значительно сэкономить на используемом сырье (до 30%). Легирование таких сталей не только улучшает их закаливаемость, но и повышает предел их текучести.

Наиболее популярными марками рассматриваемых сталей, которые поставляются в виде сортового проката, листов, полос и прутков, являются:

  • 14Г2;
  • 15ХСНД;
  • 10Г2С1;
  • 18Г2;
  • 18Г2С;
  • 25Г2С;
  • 35ГС.

Стали для строительных конструкций

Как уже отмечалось выше, стали данной категории легко поддаются сварке, а также другим методам обработки, что позволяет без особых трудозатрат создавать из них строительные конструкции любого размера и конфигурации.


Источники

  • https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/konstrukcionnaya-stal.html
  • https://TreydMetall.ru/info/uglerodistaya-stal-klassifikikaciya
  • https://tpspribor.ru/vidy-metalla/uglerodistaya-stal.html
  • https://chezmk.ru/stati/klassifikatsiya-staley/
  • http://met-all.org/stal/stal-uglerodistaya-sostav-klassifikatsiya-gost.html
  • https://NiceSpb.ru/materialy/skolko-ugleroda-soderzhitsya-v-stali.html
[свернуть]

Сравнить товары
  • Всего: (0)
Сравнить
0
Adblock
detector