2.2. Конструкционные стали общего назначения
Содержат не более (0,5-0,6)% углерода, а сумма легирующих элементов в них не превышает 5%.
Конструкционные стали общего назначения являются универсальным материалом, т.к. они обеспечивают в широком диапазоне показатели основных и технологических свойств. Эти свойства достигаются за счет выбора стали по химическому составу и технологии производства заготовки, предварительной и упрочняющей термической обработок.
В зависимости от содержания вредных примесей подразделяются на:
углеродистые стали обыкновенного качества (S≤0,05%, P≤0,04%), по способу раскисления – кипящие (кп), спокойные (сп) и полуспокойные (пс) (ГОСТ 380);
углеродистые стали качественные (S≤0.04 %, P≤0.035 %) (ГОСТ 1050).
легированные конструкционные стали (ГОСТ 4543).
В зависимости от химического состава и типового режима термической обработки их подразделяют на:
цементуемые (≤ 0,25 % С);
улучшаемые (0,3-0,5 % С).
К цементуемым сталям относятся стали обыкновенного качества марок Ст2, Ст3, качественные марок 08, 10, 15, 20, 25, легированные стали марок 15Х, 20Х, 15Г, 18ХГР, 15ХФ, 25ХГТ, 20ХН, 12ХН2А, 12ХН3ФА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А и др.
К улучшаемым сталям относятся среднеуглеродистые стали (0,3-0,5 %С) обыкновенного качества марок Ст4, Ст5, Ст6, качественные стали марок 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 и легированные марок 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 50Х, 30Г, 40Г, 35Г, 50Г, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2, 30ХГТ, 40ХФА, 33ХС, 38ХС, 40ХС, 30ХГС, 35ХГСА, 30ХМ, 35ХМ, 40ХН, 50ХН, 30ХН3А, 38ХГН, 30ХН2МА, 40Х2Н2МА.
Основная цель легирования этих сталей – это повышение конструкционной прочности и улучшения технологических свойств. Основными легирующими элементами являются Si, Mn, Cr и Ni. Растворяясь в феррите, они упрочняют сталь. Количество каждого легирующего элемента в конструкционных сталях ограничивается, т.к. при введении каждого из них более 1%, а Mn – 2 % резко снижается пластичность, а это недопустимо для конструкционных сталей. Исключение составляет Ni (от 1 до 5 %), так как он повышает прочность сталей, не снижая пластичности. К тому же Ni понижает температурный порог хладноломкости, примерно 1 % Ni – на 20-30 оС. Карбидообразующие элементы W (от 0,8 – 1,2%), Мо (от 0,2 – 0,4 %), V (до 0,3 %), Ti (до 0,1 %) вводят для увеличения объемной доли карбидной фазы. Это способствует в основном измельчению зерна, а значит повышению ударной вязкости и уменьшению склонности низколегированных, особенно хромистых сталей, к отпускной хрупкости второго рода. По структуре – это стали перлитного класса, доэвтектоидные.
Все перечисленные легирующие элементы, кроме карбидообразующих, повышают прокаливаемость сталей, т.к. они замедляют диффузионные процессы, снижая скорость распада аустенита при охлаждении. Чем больше сумма легирующих элементов, тем выше прокаливаемость. Легированные стали можно закаливать в масле, что снижает деформацию при термической обработке, коробление, и дает возможность использовать их не только в больших сечениях, но и для более сложных по форме деталей. Очень важным технологическим преимуществом легированных конструкционных сталей является пониженный температурный порог хладноломкости: до – 40 – 60 0С у хромистых сталей и до – 70 – 80 0С у хромоникелевых.
Основным видом предварительной термической обработки для углеродистых и легированных конструкционных сталей общего назначения является нормализация на феррито-перлитную структуру (рис. 2, а). У среднеуглеродистых легированных сталей нормализацию заменяют улучшением, т.к. легированные стали перлитного класса со структурой зернистого сорбита (рис. 2, б) хорошо обрабатываются резанием и деформируются в холодном состоянии. В этом случае улучшение является одновременно и предварительной, и упрочняющей термической обработкой. Изотермический отжиг применяется редко, только для комплексно легированных конструкционных сталей, в основном бейнитного класса.
а б в
г д е
Рис. 2. Структура сталей после упрочняющей термической обработки: а – после нормализации; б – после закалки и высокого отпуска; в– после закалки и низкого отпуска для доэвтектоидных сталей, г - после изотермической закалки;
д – после закалки и среднего отпуска; е – после закалки и низкого отпуска заэвтектоидных сталей
Типовые режимы упрочняющей термической обработки конструкционных сталей общего назначения:
нормализация. Используется только для углеродистых сталей (рис. 2, а);
объемная закалка с последующим низким отпуском на структуру низкоуглеродистого мартенсита (рис. 2, в). Рекомендуется в качестве упрочняющей обработки, чаще для сталей с пониженным содержанием углерода;
улучшение на структуру зернистого сорбита (рис. 2, б). Это основной вид упрочнения для легированных среднеуглеродистых конструкционных сталей общего назначения;
изотермическая закалка на структуру бейнита (рис. 2, г). Применяется реже, только для деталей сложной формы из комплексно-легированных хромоникелевых сталей бейнитного класса, глубокой прокаливаемости.
Детали из легированных конструкционных сталей используют только после упрочняющей термической обработки, которая обеспечивает наиболее эффективный комплекс основных свойств деталям машин. Нормализация для них в качестве упрочняющей обработки не применяется. Низкоуглеродистые стали не подвергаются упрочняющей термической обработке, т.к. они не закаливаются. Поэтому, для них используется нормализация, которая служит и предварительной, и упрочняющей термической обработкой.
Методы поверхностного упрочнения используют для деталей машин, от которых требуется повышенная твердость на поверхности, используются:
нитроцементация, цементация для низкоуглеродистых сталей Ст3, 20, 25, 20Х, 18ХГТ,20ХН3ФА, 20ХН3 и др.;
закалка ТВЧ после нормализации или улучшения для среднеуглеродистых сталей 45, 50, 55, а так же низколегированных 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 40Г, 50Г, 45Г2, 47ГТ;
азотирование для хромоалюминиевых 38Х2Ю, 38ХМЮА, реже для хромистых 40Х, 45Х и др.
Благодаря высоким показателям пластичности, из этих сталей производят заготовки методами горячей и холодной обработки давлением, а благодаря хорошей свариваемости, из низкоуглеродистых сталей изготавливают сварные конструкции. Эти стали хорошо обрабатываются резанием в нормализованном и улучшенном состоянии.
Конструкционные стали общего назначения являются самыми распространенными сталями, которые используются для разнообразной номенклатуры деталей машин и конструкций. Из углеродистых сталей изготавливают ненагруженные и средненагруженные детали машин небольшого сечения. Легированные конструкционные стали, благодаря повышенным основным и технологическим свойствам, являются основным материалом для наиболее нагруженных и ответственных средне- и крупногабаритных деталей машин сложной формы, разнообразных размеров и сечений. Применение легированных конструкционных сталей вместо углеродистых приводит к понижению металлоемкости конструкции на 20-30 %, но вызывает удорожание изделий.