Конструкционные стали

В настоящее время сталь является основным металлическим материалом промышленности. Большое разнообразие химического состава сталей и видов их обработки позволяет получать различные свойства и удовлетворять запросы многих отраслей техники. В настоящее время ежегодно в мире выплавляют стали более 2000 марок.

Классификация сталей

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, назначению и др.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. По содержанию углерода те и другие условно делят на низкоуглеродистые (С ≤ 0,25%, среднеуглеродистые (0,3 …0,6%С) и высокоуглеродистые (≥0,7%С).

Легированные стали в зависимости от содержания легирующих элементов разделяют на низколегированные, содержащие менее 2,5% легирующих элементов; среднелегированные – 2,5 – 10% легирующих элементов; высоколегированные – более 10% легирующих элементов.

По преобладающему легирующему элементу легированные стали подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникельмолибденовые, хромокремнемарганцевоникелевые и т.д. В связи с тем что более широко используются стали легированные несколькими элементами, что делает данную классификацию громоздкой.

По качеству стали классифицируются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные.

Классификация по качеству. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств во многом зависят от содержания вредных примесей – серы и фосфора и газов (О₂, N₂, Н₂), поэтому их нормы содержания являются основными показателями для разделения сталей по качеству.

По качеству различают стали:

- обыкновенного качества (углеродистые), S≤0,05%, Р≤0,04%;

- качественные (углеродистые и легированные) S≤0,04%, Р≤0,035%;

- высококачественные (углеродистые и легированные) S≤0,025%, Р≤0,025%;

- особовысококачественные (легированные) S≤0,015%, Р≤0,015%.

По степени раскисления стали (углеродистые) классифицируют на спокойные, кипящие и полуспокойные. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием, алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. При их затвердевании выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и алюминием и по степени раскисленности занимают промежуточное положение. Легированные стали выплавляются только спокойные.

Классификация по структуре для углеродистых сталей (в отожженном состоянии) приведена в главе 1, а легированных (в отожженном и нормализированном состояниях) - в разделах 3 настоящей главы.

По назначению (применению) стали объединены в группы: конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами. Данная классификация является более содержательной, чем рассмотренные ранее классификации. Она в большей мере характеризует стали, поэтому ее рассмотрению уделяется больше внимания.

Углеродистые конструкционные стали

Конструкционными называются стали, применяемые в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Они могут быть углеродистыми и легированными. Содержание углерода в этих сталях не превышает 0,6%. Однако в некоторых случаях может достигать 1%.

Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Поэтому конструкционные стали, кроме высоких механических свойств, определяемых при стандартных испытаниях (σ_в – временное сопротивление, σ_0,2 – предел текучести, δ – относительное удлинение, ψ – относительное сужение, НВ – твердость) должны обладать высокой конструктивной прочностью, т.е. прочностью, которая проявляется в условиях их реального применения.

Конструкционные стали должны иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка и т.д.), резанием, обладать высокой прокаливаемостью. Строительные конструкционные стали должны хорошо свариваться всеми видами сварки.

Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой горячекатаной, калибровочной и шлифованной стали, в виде листов, полос, фасонных профилей и др.

Углеродистые конструкционные стали (стали общего назначения). Стали углеродистые обыкновенного качества выплавляют в кислородных конверторах, мартеновских и электропечах. Стали широко применяются в строительстве. Ряд марок сталей назначается и для деталей машиностроения. Сталь изготавливается горячекатаной – сортовой, фасонной, толстолистовой, тонколистовой, широкополосной (универсальной) – и холоднокатаной – тонколистовой. Из стали изготавливаются трубы, поковки и штамповки, лента, проволока и др.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) изготавливают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. В маркировке сталей буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава. С увеличением номера марки, за исключением марки Ст0, в сталях увеличивается количество углерода. Информацию о количественном химическом составе (в том числе и о содержании углерода марка стали не содержит).

Стали обыкновенного качества содержат, по сравнению с другими сталями, повышенное содержание серы – до 0,05%, фосфора – до 0,04%, а в стали марки Ст0: серы не более 0,06%, фосфора – не более 0,07%.

Сталь с номерами марок 1, 2, 3, 4 изготавливают кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокойной (сп), с номерами 5 и 6 полуспокойной и спокойной. Сталь марки Ст0 по степени раскисления не разделяют. Степень раскисления обозначается буквами кп, пс, сп, приводимыми в конце наименования стали. Например: Ст1кп, Ст2пс, Ст5сп и др.

Сталь марок Ст 3пс, Ст 3сп и Ст 5пс изготавливают с повышенным содержанием марганца. В обозначении этих марок сталей ставят букву Г. Ст 3Гпс, Ст 3Гсп, Ст 5Гпс.

Спокойные стали (раскисленные Mn, Si, Al) содержат пониженное количество кислорода и различных оксидов. Содержание кремния составляет 0,15-0,30%, однако даже в этих относительно малых количествах кремний повышает предел текучести и снижает пластичность.

Кипящие стали (раскисленные только Мn) содержат кремний лишь в качестве примеси (≤ 0,05%). Кипящие стали по сравнению со спокойными и полуспокойными сталями имеют одинаковый предел прочности, но обладают более высокой пластичностью и хорошо подвергаются холодной обработке давлением (прокатке, вытяжке и др.). Кипящие стали более дешевые, так как отходы при их производстве минимальны. Поскольку пластичность сталей зависит и от содержания углерода, то количество его в кипящих сталях не более 0,25%.

Полуспокойные стали (раскисленные Mn и Al) содержат кремния до 0,15%. По составу и свойствам они занимают промежуточное положение. Полуспокойные стали используют, в частности, для холодного выдавливания болтов и других деталей.

Химический состав сталей обыкновенного качества соответствует ГОСТ 380-94. Этот стандарт соответствует международным стандартам ИСО 630-80 «Сталь конструкционная. Пластины, широкие фаски, бруски и профили» и ИСО 1052-82 «Сталь конструкционная общего назначения», в части требований к химическому составу сталей.

Качественные углеродистые стали (стали общемашиностроительного назначения). Стали выплавляют в мартеновских и электрических печах с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу: содержание серы не должно превышать 0,04%, фосфора 0,035-0,04% (в зависимости от марки), стали также должны иметь меньшее, чем в сталях обыкновенного качества количество неметаллических включений.

Углеродистые качественные стали в соответствии с ГОСТ 1055-88 маркируют двухзначными числами, которые показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: 05, 08, …, 15, …, 45, …, 60 (соответственно 0,05, 0,08, …, 0,15, …, 0,45, …, 0,60% С).

Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,2% могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными. Кипящая сталь имеет в конце маркировки буквы кп, полуспокойная – пс. Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются, например: 08кп, 10пс, 18кп, 20, 25, 30, 35 и т.д. Химический состав углеродистых качественных конструкционных сталей соответствует ГОСТ 1050-88.

Качественные стали подразделяют на подгруппы. Низкоуглеродистые 05кп, 08кп, 08, 10кп, 10сп, 10, 11кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей (прокладок, шайб, капотов тракторов, змеевиков), элементов сварных конструкций и т.д. Стали хорошо деформируются в холодном состоянии. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость, особенно способность стали принимать вытяжку, поэтому для холодной штамповки, особенно для вытяжки, более широко используют холоднокатаные полуспокойные и кипящие стали 08пс, 08кп.

Стали 15, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25 применяют без термической обработки или в нормализованном виде. Стали поступают в виде проката, поковок, труб, листов, ленты и проволоки, они менее пластичны несколько хуже деформируются в холодном состоянии. Сталь хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Эти стали используют для цементуемых деталей, работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок (например, кулачковых валиков, рычагов, осей, втулок, шпинделей, вилок и валиков переключения передач, пальцев рессор и многих других деталей автотракторного, сельскохозяйственного и общего машиностроения).

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (распределительных валков, шпинделей, фрикционных дисков, штоков, траверс, плунжеров и т.д.). Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали в отожженном состоянии достаточно хорошо обрабатываются резанием. Прокаливаемость сталей невелика, поэтому их следует применять для изготовления небольших деталей или больших размеров не требующих сквозной прокаливаемости.

Стали марок 50, 55, 60 применяют после различных видов термической обработки – нормализации улучшения, закалки с низким отпуском, закалки ТВЧ и др., которые значительно повышают эксплуатационные и прочностные свойства деталей (зубчатые колеса, шпиндели, тяжело нагруженные валы, муфты сцепления, прокатные валки, колеса и бандажи для подвижного состава железных дорог, диски сцепления.

Легированные стали. Классификация и маркировка легированных сталей

Классификация по структуре включает классификацию по равновесной структуре и структуре в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе).

По равновесной структуре различают стали:

• доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит;

• эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;

• заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды;

• ледебуритные, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. В литомвиде избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит, который при ковке или прокатке разбивается на обособленные карбиды и аустенит.

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенчитный, аустенитный, ферритный.

Стали перлитного класса – низколегированные, имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита. При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или тростита, в которой могут присутствовать избыточные феррит или карбиды.

Стали мартенситного класса при охлаждении на воздухе закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне и высокоуглеродистые стали легированные Cr, W, V, Mo и др. элементами стабилизирующими область α-Fe. Стали аустенитного класса содержат повышенное количество Mn или Ni (обычно в сочетании с хромом), поэтому имеют интервал мартенситного превращения ниже 0⁰С и сохраняют аустенит при комнатной температуре.

Стали ферритного класса содержат повышенное количество легирующих элементов, стабилизирующих область α-Fe(Cr, V, W, Mo, Si и др.) при незначительном количестве углерода. Интервал мартенситного превращения сталей ниже 0^оС.

Легирующие элементы в конструкционных сталях.

Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, никель, кремний, марганец. Остальные легирующие элементы вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и др. вводят в сталь в сочетании с основными элементами для дополнительного улучшения свойств. Легированные стали применяют после закалки и отпуска, поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам не отличаются практически от углеродистых. Для достижения высокой прокаливаемости стали легируют как дешевыми элементами – марганцем, хромом, бором, так и более дорогими – никелем, молибденом. Наиболее сильно повышает прокаливаемость введение нескольких элементов: Cr+Ni, Cr+Mo, Cr+Ni+Mo и др.

Хром вводят в количестве до 2%. Он повышает твердость и прочность, увеличивает прокаливаемость.

Никель – наиболее ценный и в то же время дефицитный и дорогостоящий легирующий элемент повышает пластичность и вязкость стали, увеличивает прокаливаемость, понижает температурный порог хладноломкости. В конструкционные стали его вводят совместно с хромом и другими легирующими элементами в количестве 1-5%.

Марганец вводят до 2%. Он повышает прочность, улучшает прокаливаемость, однако делает сталь чувствительной к перегреву.

Кремний сильно повышает предел текучести, снижает вязкость и пластичность сталей, затрудняет разупрочнение стали при отпуске, повышает прокаливаемость, количество его в конструкционных сталях не превышает 2%.

Молибден и вольфрам (дорогостоящие элементы) уменьшают величину зерна, повышают твердость и прочность сталей, увеличивают прокаливаемость. Количество молибдена 0,2-0,4%, вольфрама 0,8-1,2%. Молибден значительно повышает механические свойства стали после цементации и нитроцементации.

Ванадий и титан – сильные карбидообразующие элементы; добавляют в количестве до 0,3%V и до 0,1%Ti в стали содержащие хром, марганец, никель для измельчения зерна.

Бор вводят в микродозах (0,002-0,005%) для увеличения прокаливаемости.

Маркировка легированных сталей. Обозначения марок легированных сталей состоят из сочетания букв и цифр, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначают буквой: Н – никель; Х – хром; Г – марганец; В – вольфрам; М – молибден; Ю – алюминий; С – кремний; Ф – ванадий; К – кобальт; Д – медь; Р – бор; Т – титан; Б – ниобий; А – азот (в середине наименования); Ц – цирконий; П – фосфор.

Число, стоящее в начале марки указывает среднее содержание углерода. Если это число двузначное, то оно соответствует содержанию углерода в сотых долях процента (у всех сталей, кроме инструментальных), если однозначное – в десятых долях процента; если перед маркой нет числа, то это означает, что содержание углерода равно или больше одного процента. Цифры после буквы указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в процентах. Отсутствие цифры указывает, что оно составляет 1-1,5% и менее. Исключение сделано для молибдена и ванадия для которых отсутствие цифры соответствует содержанию их не более 0,3%.

Например, сталь 12ХН3 в среднем содержит 0,12%С, 1%Cr, 3%Ni. Сталь 25Х2М1Ф – 0,25%С, 2%Cr, 1%Мо, 0,3%V.

Сталь 9ХС – 0,9%С, 1%Cr, 1%Si. Сталь Х12Ф1 - >1%C, 12%Cr, 1%V.

В сталях целевого назначения, в которых изменение количества легирующего элемента вызывает значительное изменение свойств, цифра не ставится, если содержание легирующего элемента менее 1%. Например по ГОСТ20072 – 74. Сталь теплоустойчивая, марка 12Х1МФ обозначает сталь содержащую в среднем 0,12%С, 1%Cr, 0,2%V, 0,3%Мо.

Высококачественные стали обозначаются буквой А в конце наименования марки, например 30ХГСА. Особовысококачественные обозначают добавлением через тире буквы Ш, например 18ХГ – Ш, 20ХГНТР – Ш и др. Существуют и другие отклонения от общепринятых маркировок сталей. Обозначение таких марок будет приведено при рассмотрении этих сталей. Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (пробная) и порядковым номером (например ЭИ415, ЭП716 и т.д.). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.

Строительные стали

Строительные стали применяются для изготовления строительных конструкций – мостов, газо- и нефтепроводов, ферм и т.д. Все строительные конструкции, как правило, являются сварными и свариваемость одно из основных свойств строительных сталей. Поэтому строительные стали содержат углерода до 0,25%. По химическому составу строительные стали – углеродистые и низколегированные, содержащие небольшое количество марганца и кремния, как наиболее дешевых легирующих элементов. Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо свариваются, не образуют при сварке холодных и горячих трещин. Для повышения механических свойств стали дополнительно легируют ванадием и молибденом. Добавки никеля понижают порог хладноломкости. Добавки меди с никелем или меди с фосфором повышают коррозионную стойкость в атмосферных условиях.

Строительные стали у потребителя не подвергаются термической обработке. Структура и служебные характеристики формируются при производстве сталей путем проведения термической обработки или регулированием теплового и механического режимов прокатки.

Маркировка сталей. Строительные стали по ГОСТ 27772-88 обозначаются буквой С (строительная) и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Буква К в конце наименования указывает на стали с повышенной коррозионной стойкостью, буква Т – на термоупрочненный прокат, а буква Д – на повышенное содержание меди, например, 235, С245, С255, С345Т, С390К, С440Д и т.д.

Стали высокой обрабатываемости резанием (автоматные стали)

Для деталей, производимых в больших количествах на станках автоматах (болты, гайки, винты, втулки, кольца и т.д.), используют так называемые автоматные стали, обладающие повышенной обрабатываемостью резанием. В качестве автоматных применяют углеродистые и легированные стали с повышенным содержанием серы (0,08-0,3%) и фосфора (0,06%). В сталях сера находится в основном в виде сульфидов марганца (MnS), которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. Фосфор способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности. Однако применение сернистых сталей ограничивается из-за некоторого снижения механических свойств и коррозионной стойкости.

Улучшение обрабатываемости сталей достигается также легированием свинцом (0,15-0,3 %). Свинец присутствует в стали в виде мелких округлых включений и действует как разрушитель стружки сильнее чем MnS. Присадки свинца к легированным сталям мало влияют на их механические свойства. После оптимальной термической обработки такие стали используются для изготовления нагруженных деталей в автомобильной и тракторной промышленности. Недостаток применения свинца – необходимость специальных мер при производстве свинцовистых сталей из-за токсичных выделений. Стали, подвергающие сложной механической обработке, а также нержавеющие стали дополнительно легируют селеном (0,04-0,10 %) и кальцием, что позволяет дополнительно увеличить скорость резания и стойкость инструмента.

Обозначения автоматных сталей по ГОСТ 1414-75 начинаются с буквы А (автоматная) – содержит повышенное количество серы и фосфора. Если сталь легирована свинцом, то ее обозначение начинается с букв АС. Для отражения содержания остальных элементов используются те же правила, что и для конструкционных углеродистых и легированных сталей. Например, А12 – автоматная сталь с содержанием углерода ≈0,12%, серы 0,08-0,15 %, фосфора 0,15-0,30 %. АС20ХГНМ – автоматная свинецсодержащая, С ≈0,20%, Cr = 0,4-0,7%, Mn ≈1%, Ni = 0,4-0,7%, Мо = 0,15-0,25%. Присутствие в обозначении марки буквы Е указывает на присутствие селена.

Конструкционные машиностроительные цементуемые (нитроцементуемые) стали

К цементуемым относятся малоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,1-0,25%. Эти стали используются для изготовления деталей, которые в процессе работы подвергаются интенсивному изнашиванию и от которых требуются высокие механические свойства (сопротивление статическим и динамическим нагрузкам и усталости) – зубчатые колеса, кулачки, валики, поршневые пальцы, втулки и т.п.

После цементации (нитроцементации) стали подвергают закалке и низкому отпуску, что обеспечивает получение твердого поверхностного слоя (НRС 58-62) и достаточно прочную и вязкую сердцевину (HRC 15-40), устойчивую к воздействию циклических и ударных нагрузок. Работоспособность цементованных деталей зависит от свойств поверхностного слоя и сердцевины. При одинаковых свойствах цементованного слоя работоспособность деталей повышается по мере увеличения твердости и предела текучести сердцевины. Цементуемые стали в зависимости от степени упрочнения сердцевины детали подразделяют на три группы:

1. Углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной при термической обработке марок 10, 15, 20, применяемые для изготовления изделий небольших размеров, не испытывающих значительных напряжений.

2. Низколегированные стали со слабоупрочняемой сердцевиной. К этой группе относятся хромистые стали марок 15Х, 20Х, а также содержащие дополнительно ванадий (15ХФ) или бор (20ХР). Стали этой группы применяют для небольших деталей простой формы сечением до 25 мм, работающие в условиях трения при средних нагрузках (втулки, валики, оси, поршневые пальцы и т.п.)

3. Относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильно упрочняемой при термообработке. К этой группе –сталям относятся: хромоникелевые – марок 12ХН2, 20ХН3А, 20ХНР и др., применяемые для изготовления крупных деталей ответственного назначения, испытывающих большие напряжения и удары. Прокаливаемость сталей до 100 мм. Стали дополнительно легируют молибденом и вольфрамом, что повышает их механические и эксплуатационные свойства и детали прокаливаются практически в любом сечении.

Хромомарганцовистые стали с добавками титана и молибдена марок 18ХГТ, 20ХГН, 25ХГТ и др. применяют вместо дорогостоящих хромоникелевых сталей. Они превосходят по прочности хромоникелевые, но имеют меньшую вязкость и менее устойчивы против нагрева. Прокаливаемость их до 60 мм. Повышение прокаливаемости достигается дополнительным легированием никелем (например, сталь 15ХГН2ТА и др.). Химический состав углеродистых сталей регламентируется по ГОСТ 1050-88, легированных по ГОСТ 4543-71.