9.1.3. Стали общетехнического назначения.

В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы: конструкционные (рассматриваемые здесь), инструментальные, специального назначения (рассматриваются ниже).

К конструкционным сталям относятся строительные и машиностроительные.

Строительные стали - это стали обыкновенного качества (Cт0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6). Стали обладают хорошей свариваемостью, но имеют невысокие твердость и предел прочности. В основном их используют для изготовления сварных, клепаных и болтовых конструкций (строительных балок, ферм, конструкций подъемных кранов, каркасов и т.п.). Применяют без упрочняющей термической обработки.

Стали поставляются металлургическими заводами в виде горячекатаного проката (балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, поковки и т.п.)

Эти стали используют также и в машиностроении для некоторых малонагруженных и сварных деталей машин: осей, валов, втулок, заклепок и т.п., а также сварных корпусов и станин.

Машиностроительные стали применяются для изготовления деталей машин. Это углеродистые и легированные стали, содержащие от 0,08…0,10 до 0,70 % углерода.

Стали в зависимости от химического состава (содержания углерода) и назначения классифицируются следующим образом:

- до 0,3% С – цементуемые;

- 0,3…0,5 % С – улучшаемые;

- 0,5…0,7 %С – пружинные;

- 0,7 %С и более – инструментальные (шарикоподшипниковые).

Цементуемые стали. Это углеродистые и легированные стали, содержащие до 0,3 %С, для них основным способом упрочнения является цементация. Детали, изготовленные из этих сталей, подвергают цементации, закалке и низкому отпуску. Это обеспечивает высокую поверхностную твердость - как углеродистых, так и легированных сталей при вязкой сердцевине. Глубина цементованного слоя обычно устанавливается 0,8…1,2 мм.

Этот способ упрочнения используют для деталей, работающих в условиях повышенного износа и динамических (ударных) нагрузок (зубчатые колеса, кулачки и др.). Работоспособность этих деталей зависит как от свойств поверхностного слоя, так и свойств сердцевины.

Углеродистые стали 10, 15, 20, 25, применяются для малонагруженных деталей машин небольшого сечения и простой формы. Предел текучести сердцевины сталей не высок (s_0,2 до 300 МПа).

Низколегированные хромистые, марганцовистые и хромованадиевые стали: 15Х, 20Х, 15Г, 20Г, 15ХФ и др. используют для деталей сечением до 35…40 мм, твердость сердцевины после термической обработки составляет 35…38 HRC, предел текучести достигает 500…600 МПа.

Среднелегированные никельсодержащие стали (12ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др.), а также менее легированные стали с титаном (18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ) применяют для крупных деталей (сечением 80…100 мм и более), работающих в условиях повышенного трения, динамических нагрузок и высоких контактных напряжений. Предел текучести этих сталей – около 700 МПа.

Улучшаемые стали. Это углеродистые и легированные стали, содержащие 0,3…0,55 % углерода, основным способом упрочнения для них является улучшение (закалка и высокий отпуск), обеспечивающее получение структуры сорбита и высокой ударной вязкости.

Содержание углерода определяет близкий уровень механических свойств - σ_в≈900…1000 МПа, σ_т≈650…750 МПа, при высокой ударной вязкости как углеродистых, так и легированных сталей. Но эти свойства для углеродистых и легированных сталей достигаются в разных сечениях в зависимости от уровня легирования, т.е. прокаливаемости. Для легированных сталей эти свойства можно получить для деталей большего сечения, упрочняемых во всем объеме.

Углеродистые улучшаемые стали 35, 40, 45, 50, 55 имеют низкую прокаливаемость (до 10…15 мм). Хромистые (35Х, 40Х, 45Х, 50Х) и марганцовистые (35Г, 40Г, 45Г, 40Г2, 45Г2) стали являются наиболее дешевыми среди легированных и применяются для средненагруженных деталей сечением до 30…35 мм. Хромомарганцевые (35ХГ2), хромокремниевые (33ХС, 40ХС) и хромокремнемарганцевые (30ХГСА, 35ХГСА - хромансили) стали имеют более глубокую прокаливаемость и приобретают после улучшения высокие прочностные свойства в деталях большего сечения – до 60…70 мм..

Хромомолибденоалюминиевая сталь 38Х2МЮА применяется для деталей, подвергаемых после улучшения азотированию. Это детали, работающие в условиях повышенного износа (гильзы цилиндров двигателей, шестерни, шпиндели шлифовальных станков и т.п.).

Рессорно-пружинные стали. Предназначены для изготовления рессор, пружин и других упругих элементов. Основное требование к ним - высокий предел упругости, что гарантирует отсутствие пластической деформации при нагрузках. Применяют углеродистые и легированные стали с 0,6…0,8 %С. Детали подвергают закалке и среднему отпуску (420…480°С). Такая термическая обработка обеспечивает получение структуры троостита и максимальных значений предела упругости.

Углеродистые стали марок 65, 70, 75 обеспечивают необходимые свойства при невысоких напряжениях в изделиях небольшого сечения. Предел упругости этих сталей составляет 630…700МПа.

Марганцовистые стали (60Г, 65Г) мало отличаются от углеродистых по величине предела упругости (630…660МПа), но имеют большую прокаливаемость. Они используются для изготовления деталей большего сечения.

Более высокий предел упругости (до 840…940МПа) приобретают после термической обработки кремнистые (55С2, 60С2) и кремнемарганцевые (60С2Г) стали. Они широко применяются для изготовления нагруженных пружин и рессор автомобилей, тракторов, железнодорожных вагонов.

Лучшими технологическими свойствами при тех же значениях предела упругости обладают хромомарганцевые (50ХГА) и хромованадиевые (50ХФА, 50ХГФА) стали. Они также обладают теплостойкостью, что делает их более пригодными не только для изготовления пружин и рессор ходовой части автомобилей, но и для клапанных пружин, работающих при нагреве до 300…350°С.

Шарикоподшипниковые стали (инструментальные см. 13.1.1) Предназначены для изготовления деталей подшипников качения (наружных и внутренних колец, шариков, роликов). Рабочие поверхности этих деталей работают в условиях знакопеременных нагрузок, испытывают высокие контактные напряжения. Эти стали должны обладать высокой твердостью (62…66 HRC). Такая твердость достигается при высоком содержании углерода около 1 %.

Шарикоподшипниковые стали закаливают от 820…850°С в масле и проводят низкий отпуск при 150…170°С, структура после термической обработки – мартенсит отпуска.

Содержание вредных примесей в сталях должно быть низким (S<0,02 %, P<0,027 %), в противном случае резко снижается долговечность подшипников.

Маркировка подшипниковых сталей отличается от принятой для конструкционных. Первая буква в марке – «Ш» показывает, что сталь шарикоподшипниковая, в марке указывается десятикратное содержание хрома. При этом, не смотря на весьма малое содержание вредных примесей, буква «А» в конце марки не ставится. Остальные легирующие обозначаются так же, как в конструкционных сталях.

Наиболее широко используется сталь ШХ15, содержащая ~ 1 % углерода и ~1,5 % хрома (цифра, указывающая содержание хрома в марке – 15, т.е. в десять раз больше фактического содержания). Для деталей больших сечений (крупные подшипники) используют более легированную сталь - ШХ15СГ.

Автоматные стали – это стали повышенной обрабатываемости резанием. При их обработке достигается высокая производительность, обеспечивается малая шероховатость обработанной поверхности, хорошее стружкоотделение. Они используются в основном в массовом производстве для изготовления деталей на станках-автоматах (винты, шпильки, болты, гайки, мелкие детали сложной конфигурации и т.п.). Хорошая обрабатываемость резанием достигается за счет повышенного содержания в них серы (до 0,08…0,35 %) и фосфора (0,06…0,15 %).

Автоматные стали обозначаются буквой А, которая ставится в начале марки, и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, А12 – автоматная сталь, среднее содержание углерода – 0,12 %). Марганец обозначается буквой Г (если его количество в стали более 1% - сталь А40Г)