8.2.1. Конструкционные стали

Конструкционные легированные стали – низко- (0,1–0,25 %) и среднеуглеродистые (0,3–0,6 %). Легирующие элементы добавляют для увеличения прокаливаемости (Cr, Mn, Mo), снижения порога хладоломкости (Ni). Обозначения в конце марки: ПП – сталь повышенной прокаливаемости, Л – литейная, К – сталь для котлов и др.

Строительные стали делят на стали для сварных металлоконструкций и арматурные для армирования железобетонных конструкций.

Свариваемые строительные стали предназначены для изготовления конструкций мостов, ферм, котлов, газо- и нефтепроводов и т. д. Отличительное их технологическое свойство – хорошая свариваемость, которая зависит от содержания углерода (не более 0,25 %). Обычно используют низколегированные, низкоуглеродистые стали: 09Г2С, 17ГС, 15ГФ, 14Г2АФД, 10ХСНД и др.

Главный недостаток углеродистых сталей общего назначения (Ст0, Ст2) используемых для сварных строительных конструкций – низкая хладостойкость. Проблема решается с помощью применения низколегированных качественных сталей (09Г2С, 17ГС, 18Г2С, 25Г2С, 35ГС), с последующей термообработкой или без нее.

Арматурные строительные стали. Для изготовления ненапряженных железобетонных конструкций – используются стали обыкновенного качества (Ст3, Ст5), предварительно напряженных – средне- и высокоуглеродистые стали в горячекатаном состоянии, упрочненные.

Автоматные стали специально созданы для изготовления деталей в массовом производстве (например, крепежные изделия). Изготовление деталей должно быть высокотехнологичным, производительным, с высокими требованиями по размерам и чистоте поверхности. От материала не требуются высокие механические свойства. Стали содержат (0,08–0,45 %) углерода, повышенное количество серы (до 0,3 %), фосфора (0,05 %), марганца (0,7–1,0 %), а также селен, кальций, свинец. Стали маркируют буквой А и цифрами, обозначающими содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30. Присутствие свинца (0,15–0,3 %) обозначается буквой С (АС11, АС14), кальция – буквой Ц (АЦ45Х, АЦ40Г2), селена – буквой Е (А35Е).

Сера находится в виде неметаллических включений – сульфидов, которые нарушают сплошность металла в зоне резания и способствуют получению легко ломающейся стружки. Фосфор повышает твердость и прочность, что также способствует образованию хрупкой стружки и получению обработанной поверхности высокого качества.

В легированных автоматных сталях повышенной обрабатываемости, включения свинца, селена, теллура и кальция играют роль смазки и препятствуют схватыванию инструмента с материалом заготовки. Это облегчает образование и отделение стружки. Для увеличения скорости резания свинец заменяют селеном. Для получения высоких механических свойств автоматные стали, дополнительно легируют марганцем, кремнием, хромом, молибденом: (АС30ХМ, АС38ХГМ).

Конструкционные стали общего назначения. Углеродистые стали применяются при изготовлении мелких деталей, что связано с их низкой прокаливаемостью. От материала не требуются высокие механические свойства, Повышение механических свойств достигается с помощью оптимального легирования.

Для изготовления деталей, подвергаемых цементации или нитроцементации, используются малоуглеродистые (до 0,25 % С) низко- и среднелегированные стали. Легирование хромом (стали 15Х, 20Х) позволяет применять после цементации закалку в масло вместо закалки в воду. Это уменьшает коробление и образование трещин. Увеличение степени легирования хромом, дополнительное легирование никелем, молибденом, вольфрамом увеличивает прокаливаемость крупногабаритных изделий (стали 20ХН, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 30ХМА).

Улучшаемые стали. Основным методом упрочнения изделий по всему сечению является улучшение (закалка с высоким отпуском). Первая группа – углеродистые стали (Ст35, 40, 45, 50), которые прокаливаются насквозь при диаметре до 12 мм. Они применяются для изготовления изделий малых сечений. Вторая группа – хромистые стали (30Х, 40Х), у которых критический диаметр при закалке в масле составляет 15–30 мм. В третью группу входят стали типа 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых критический диаметр 30–60 мм. Четвертая группа – стали типа 40ХН, 40ХНМ – 35–70 мм. Пятая группа – комплексно легированные стали, например, 38ХН3МФА – до 200 мм.

Азотируемые стали, например 38ХМЮА, тоже относятся к группе улучшаемых сталей, поскольку в процессе азотирования они подвергаются нагреву до температур, соответствующих высокому отпуску.

Высокопрочные стали (предел прочности более 1500 МПа) – это комплексно-легированные мартенситостареющие стали (МСС) и стали с пластичностью, наведенной превращениями (ПНП-стали).

МСС марки 03Н18К9М5Т (0,03 % С) после закалки имеют структуру безуглеродистого мартенсита. Упрочнение происходит при распаде мартенсита и выделении дисперсных включений типа Ni₃Ti, Fe₂Mo и др. Это явление называется старением мартенсита. Стали применяют в самолето- и ракетостроении, криогенной технике и при повышенных температурах (до 450 °С).

ПНП-стали – стали аустенитного класса. После закалки сталь марки 30Х9Н8М4Г2С2 имеет аустенитную структуру, т. к. точка начала мартенситного превращения лежит ниже 0 °С. Последующая пластическая деформация при температурах 400–600 °С вызывает явление наклепа, которое упрочняет сталь, а также выделение мелкодисперсных карбидов, увеличивающих эффект упрочнения. Область применения: силовые детали авиационных конструкций, броневой лист и др.

Рессорно-пружинные стали должны обладать высоким сопротивлением к малым пластическим деформациям, при достаточной пластичности и вязкости. Сталь должна содержит более 0,5–0,7 % углерода и подвергается термической обработке – закалке и среднему отпуску или деформационному упрочнению (наклепу). Углеродистые стали 65Г, 70, 75 и У10 применяют для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих невысокие напряжения. Кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А имеют высокие пределы текучести и упругости, поскольку кремний повышает прокаливаемость. Стали типа 50ХА, 50ХФА, 55ХГР обладают повышенной усталостной прочностью при рабочих температурах до 300 °С.

Стали для шариковых и роликовых подшипников. Для изготовления тел качения и подшипниковых колец малых сечений используют хромистую сталь ШХ15, больших сечений – сталь повышеной прокаливаемости – ШХ15СГ. Сталь ШХ15 содержит около 1 % углерода и 1,5 % хрома. Сталь ШХ15СГ содержит также повышенное количество марганца (1 %) и кремния (0,5 %). Термическая обработка подшипниковых сталей состоит из закалки от температуры 850 °С и низкотемпературного отпуска. Достигается твердость не ниже 62 HRC. Подшипники, работающие в агрессивных средах, изготавливаются из нержавеющих сталей с высоким содержанием хрома (95Х18, 110Х18).