Углеродистые и легированные стали

Углеродистые конструкционные стали

Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества; качественные углеродистые стали; углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.).

Стали углеродистые обыкновенного качества

Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях. Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры - это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В. Химический состав сталей группы А не регламентируют Ш (табл. 3.1), а гарантируют их механические свойства. Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.).

Таблица 4.1 Свойства и области применения сталей различного состава

Марка	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение, %	Назначение
Ст0	310	20	Малонагруженные детали: шайбы, прокладки
Ст1 Ст2	310 – 400 330 – 420	32 20	Малонагруженные детали: болты, шпильки, гайки
Ст3 Ст4	370 – 470 410 – 520	24 22	Средненагруженные детали: рычаг, оси, кронштейны
Ст5 Ст6	500 – 640 600	17 12	Средненагруженные детали: оси, валы

Стали углеродистые качественные конструкционные

От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и большинстве случаев более высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Мn).

Таблица 4.2 Механические свойства качественной конструкционной стали

Марка	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение, %	Твердость НВ	Назначение
08 10 15 20	330 340 380 420	33 31 27 25	131 143 149 163	Малонагруженные детали: шестерни, звездочки, ролики, оси, подвергающиеся цементации
25 30 35	460 500 540	23 21 20	170 179 207	Средненагруженные детали: шестерни, валы, оси
40 45	580 610	19 16	217 229	Средненагруженные детали: шатуны, валы, шестерни, пальцы
50 55	640 660	14 13	241 255	Высоконагруженные детали: шестерни, муфты, пружинные кольца, пружины
60 65 70 75 80 85 60Г 70Г	690 710 730 1100 1100 1150 710 800	12 10 9 7 6 6 11 8	255 255 269 285 285 302 269 285	Пружины, рессоры, эксцентрики и другие детали, работающие в условиях трения

Стали углеродистые специального назначения

К этой группе относят стали с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены в основном для изготовления деталей массового производства.

Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12, А20, А30, А40Г.

Из стали A12 изготовляют неответственные детали, из стали других марок ‑ более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях.

Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей.

Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450 °С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться.

Легированные конструкционные стали

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств, стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.).

Влияние легирующих элементов

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его.

Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2 %; он растворяется в феррите и цементите.

Никель ‑ наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.

Марганец вводят в сталь до 1,5 %. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву.

Кремний является не карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2 %. Он значительно повышает предел текучести стали.

Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите.

Ванадий и титан ‑ сильные карбидообразующие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3 % V и 0,1 % Ti).

Маркировка легированных сталей

Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (X), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5 %. Кроме того, высококачественные легированные стали имеют в конце букву А, а особо высококачественные ‑ Ш. Например, сталь марки 30ХГСН2А: высококачественная легированная сталь содержит 0,30 % углерода, до 1 % хрома, марганца, кремния и никеля до 2 %.

Сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошлакового переплава с вакуумированием, содержит 0,9 ‑ 1,0 % углерода; 17 – 19 % хрома, 0,030 % фосфора и 0,015 % серы.

По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Применяют простые стали, легированные одним элементом. Это марганцевые стали (65Г – рессоры, 09Г2 – хребтовые балки, котлы цистерн), кремнистые (55С2, 60С2А – пружины, рессоры), хромистые (40Х – коленчатые валы компрессоров тепловозов). Сложные стали содержат два и более легирующих элемента. Это хромоникелевые (30ХНЗА, 45ХН – тяговые зубчатые передачи локомотивов, 12ХН2А – пальцы поршней двигателей тепловозов, 10ХНДП с медью – кузов грузовых вагонов), хромокремнистые (37ХС – шпильки крепления коренных подшипников двигателя тепловоза), хромованадиевые (50ХФА – пружины клапанов тепловозных двигателей), хро-момолибденовые (3ОХМА – шатуны двигателя тепловоза), хромок-ремнемарганцевоникелевые (3ОХГСНА – валы, оси), хромокремненикелевые с медью (15ХСНД – мосты) и др.

Широко распространены инструментальные стали – вольфра-мохромованадиевые (Р9, Р6М5 – резцы, сверла).

Применяют также стали, обладающие особыми свойствами, износоустойчивые (110Г13Л – сердечники крестовин стрелочных переводов), шарикоподшипниковые (ШХ15, ШХ4РП – роликовые подшипники букс вагонов и локомотивов), нержавеющие (12Х18Н10Т), жаропрочные (4Х10С2М – клапаны тепловозных двигателей), электротехнические и др.

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.

Цементуемые стали ‑ это низкоуглеродистые (до 0,25 С), низко - (до 2,5 %) и среднелегированные (2,5‑10 % суммарное содержание легирующих элементов) стали (табл. 4.3). Эти стали предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающих ударные и переменные нагрузки.

Таблица 4.3 Свойства и назначение цементуемых сталей

Марка	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость КС, МДж/м2	Назначение
	не менее
15ХА	700	12	0,7	Небольшие детали, работающие в условиях трения при средних давлениях и скоростях
18ХГ 25ХГМ	900 1200	10 10	--- 0,8	Ответственные детали, работающие при больших скоростях, высоких давлениях и ударных нагрузках
20ХН 20Х2Н4А	800	14	0,8	Крупные, ответственные, тяжелонагруженные детали

Улучшаемые легированные стали – это среднеуглеродистые (0,25‑0,6 % С) и низколегированные стали (табл. 4.4). Для обеспечения необходимых свойств (прочности, пластичности, вязкости) эти стали термически улучшают, подвергая закалке и высокому отпуску (500 – 600 °С).

Таблица 4.4 Свойства и назначение улучшаемых легированных сталей

Марка	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость КС, МДж/м2	Назначение
	не менее
40ХС 40ХФА	1250 900	12 10	0,35 0,9	Небольшие детали, работающие в условиях повышенных напряжений и знакопеременных нагрузок
30ХГСА	1100	10	0,5	Детали, работающие в условиях трении я и ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках и температуре до 200 °С
20ХН 20Х2Н4А	800	14	0,8	Крупные, ответственные, тяжелонагруженные детали сложной формы

Высокопрочные легированные стали

Улучшаемые и цементуемые стали после термической обработки дают прочность до σ_в =1300 МПа и вязкость до КС=0,8‑1,0 МДж/м². Для создания новых современных машин такой прочности недостаточно. Необходимы стали с пределами прочности σ_в = 1500 – 2000 МПа. Для этих целей применяют комплексно-легированные и мартенситостареющие стали.

Таблица 4.5 Свойства и применение высокопрочных легированных сталей

Марка	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость КС, МДж/м2	Назначение
	не менее
Комплексно-легированные стали
30ХГСН2А 40ХГСН3ВА	1850/1650 2000/1850	13/9 11/12	0,55/0,62 0,45/0,5	Особо ответственные тяжелонагруженные детали (детали шасси и фюзеляжа в авиастроении), работающие в условиях резко меняющихся нагрузок
Мартенситостареющие стали
Н12К15М10 Н18К9М5Т	2500 2100	6 8	0,3 0,5	Особо ответственные тяжелонагруженные детали
Примечания: Показатели механических свойств в числителе – после закали от 900 °С и низкого отпуска при 250 °С, в знаменателе – после изотермической закалки

Специальные конструкционные стали

Специальные стали ‑ это высоколегированные (свыше 10 %) стали, обладающие особыми свойствами – коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.

Износостойкие стали

Для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения, применяют специальные износостойкие стали ‑ шарикоподшипниковые, графитизированные и высокомарганцовистые.

Шарикоподшипниковые стали (ШХ6, ШХ9, ШХ15) применяют для изготовления шариков и роликов подшипников.

По химическому составу и структуре эти стали относятся к классу инструментальных сталей. Они содержат около 1% С и 0,6 – 1,5 % Сr. Для деталей размером до 10 мм применяют сталь ШХ6 (1,05 – 1,15 % С и 0,4 – 0,7 % Сr), а для деталей размером более 18 мм - сталь ШХ15 (0,95 – 1,05 % С и 1,3 – 1,65% Сr).

Термическая обработка шарикоподшипниковых сталей с небольшим содержанием хрома заключается в закалке и низком отпуске (до 200 °С), в результате чего обеспечивается твердость HRC 60-66.

Графитизированную сталь (высокоуглеродистую, содержащую 1,5 – 2 % С и до 2 % Сr) используют для изготовления поршневых колец, поршней, коленчатых валов и других фасонных отливок, работающих в условиях трения.

Графитизированная сталь содержит в структуре ферритоцементитную смесь и графит. Количество графита может значительно меняться в зависимости от режима термической обработки и содержания углерода. Графитизированная сталь после закалки сочетает свойства закаленной стати и серого чугуна. Графит в такой стали играет роль смазки.

Высокомарганцовистую сталь Г13Л, содержащую 1,2 % С и 13 % Мn, применяют для изготовления железнодорожных крестовин, звеньев гусениц и т.п. Эта сталь обладает максимальной износостойкостью, когда имеет однофазную структуру аустенита, что обеспечивается закалкой (1000 – 1100 °C) при охлаждении на воздухе. Закаленная сталь имеет низкую твердость (НВ 200), после сильного наклепа ее твердость повышается до НВ 600.

Инструментальные стали предназначены для изготовления следующих основных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов.

По условиям работы инструмента к таким сталям предъявляют следующие требования: стали для режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, фрезы и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью.

Стали для измерительного инструмента должны быть твердыми, износостойкими и длительное время сохранять размеры и форму инструмента.

Стали для штампов (холодного и горячего деформирования) должны иметь высокие механические свойства (твердость, износостойкость, вязкость), сохраняющиеся при повышенных температурах.

Углеродистые инструментальные стали.

Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца.

Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С. Инструменты, применение которых связано с ударной нагрузкой, например зубила, бородки, молотки, изготовляют из сталей У7А, У8А. Инструменты, требующие большей твердости, но не подвергающиеся ударам, например сверла, метчики, развертки, шаберы, напильники, ‑ из сталей У12А, У13А. Стали У7-У9 подвергают полной, а стали У10-У13 неполной закалке.

Легированные инструментальные стали

Легирующие элементы, вводимые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам).

Низколегированные инструментальные стали содержат до 2,5 % легирующих элементов, имеют высокую твердость (HRC 62‑69), значительную износостойкость, но малую теплостойкость (200 – 260 °С). В отличие от углеродистых сталей их используют для изготовления инструмента более сложной формы.

Высоколегированные инструментальные стали содержат вольфрам, хром и ванадий в большом количестве (до 18 % основного легирующего элемента); имеют высокую теплостойкость (600 ‑ 640 °С). Их используют для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных статей и других труднообрабатываемых материалов. Такие стали называют инструментальными быстрорежущими. Для изготовления измерительных инструментов применяют X, ХВГ стали.

Штампы холодного деформирования небольших размеров (сечением 25‑30 мм), простой формы, работающие в легких условиях, изготовляют из углеродистых сталей У10, У11, У12. Штампы сечением 75-100 мм более сложной формы и для более тяжелых условий работы изготовляют из сталей повышенной прокаливаемости X, ХВГ.

Молотовые штампы горячего деформирования изготовляют из сталей 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ. Эти стали содержат одинаковое количество (0,5 – 0,6 %) углерода и легированы хромом.

5. Чугуны

Чугуны, в зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие. Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.

Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме состояния Fe – Fe3C, подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (4500-5500 НВ), хрупки и для изготовления деталей машин мало используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны – отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготовляют прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие  в условиях износа.

Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита.

По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны – сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Fe-C-Si и постоянные примеси: Mn, P, S. В небольших количествах в обычных чугунах может содержаться Cr, Ni и Cu, которые попадают из руды.

Углерод оказывает определяющее влияние на качество чугуна, изменяя количество графита и литейные свойства. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита в чугуне и тем ниже его механические свойства.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием; способствует выделению графита в процессе затвердевания чугуна и разложению выделившегося цементита.

Марганец затрудняет графитизацию чугуна, несколько улучшает его механические свойства, особенно в тонкостенных отливках.

Кроме химического состава, структура чугуна и его свойства зависят от скорости охлаждения. С уменьшением скорости охлаждения увеличивается количество графита, с увеличением – количество химически связанного углерода.

Пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугуна к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивление усталости деталей из чугуна соизмеримо со стальными деталями.

Чем крупнее и прямолинейнее форма графитовых включений, тем ниже сопротивление серого чугуна разрыву. И, наоборот, чем мельче и разобщеннее графитовые включения, тем меньше их отрицательное влияние.

По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида.

1. Серый перлитный со структурой перлит + графит. В этом чугуне количество связанного углерода составляет ≈ 0,8 % (рис. 5.1, а).

Рис. 5.1 Микроструктуры чугунов

2. Серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит + графит. Количество связанного углерода в нем менее 0,8 % (рис. 5.1, б).

3. Серый ферритный со структурой феррит + графит (рис. 5.1, в). В этом чугуне весь углерод находится в виде графита.

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и, главным образом, количества, формы и размеров графитных включений. Прочность, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в металлической основе, которая по строению аналогична сталям. Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны (до 100 т и более).

Таблица 5.6Механические свойства некоторых марок серых чугунов (ГОСТ 1412-85):

Чугун	σв, МПа	НВ	Структура металлической основы
СЧ 15 СЧ 25 СЧ 40 СЧ 45	150 250 400 450	1630-2290 1800-2500 2070-2850 2290-2890	Феррит Феррит + перлит Перлит Перлит

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении в кгс/см²

Высокопрочными чугунами называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08 %.

По структуре высокопрочный чугун может быть ферритным (рис. 5.2, а), ферритно-перлитным (рис. 5.2, б); перлитным (рис. 5.2, в).

Рис. 5.1 Микроструктуры высокопрочных чугунов

Шаровидный графит – менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый графит, и поэтому меньше снижает механические свойства основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Маркируют высокопрочные чугуны по пределу прочности и относительному удлинению (табл. 5.2).

Таблица 5.7Механические свойства некоторых высокопрочных чугунов (ГОСТ 7293-85)

Чугун	sв, МПа	d, %	НВ	Структура металлической основы
ВЧ 38-17 ВЧ 42-12 ВЧ 50-7   ВЧ 60-2 ВЧ 80-2 ВЧ 120-2	380 420 500   600 800 1200	17 12 7   2 2 2	1400-1700 1400-2000 1710-2410   2000-2800 2500-3300 3020-3800	Феррит с небольшим количеством перлита Перлит с небольшим количеством феррита

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготовляют оборудование прокатных станов (прокатные валки массой 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверса пресса, шабот ковочного молота), в турбостроении – корпус паровой турбины, лопатки направляющего аппарата, в дизеле-, тракторо- и автомобилестроении – коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и условиях изнашивания.

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит, в отличие от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металлической основы, вследствие чего ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью и пластичностью. По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводят по режиму 1 (рис. 5.3.), обеспечивающему графитизацию всех видов цементита белого чугуна. Перлитный ковкий чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2.

Рис. 5.3 Режимы отжига на ферритные чугуны

Графитизация цементита перлита практически не происходит, чугун приобретает структуру, состоящую из перлита и углерода отжига. Отсутствие литейных напряжений, которые полностью снимаются во время отжига, компактная форма и изолированность графитных включений обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов. Принцип их маркировки тот же, что и высокопрочных чугунов: КЧ σв - δ (табл. 5.3).

Таблица 5.8 Механические свойства некоторых марок ковких чугунов (ГОСТ 1215-79)

Чугун	sв, МПа	d, %	НВ	Структура металлической основы
КЧ 30-6 КЧ 35-10 КЧ 37-12   КЧ 45-7 КЧ 60-3 КЧ 80-1,5	300 350 370   450 600 800	6 10 12    7  3 1,5	1000-1630 1000-1630 1100-1630   1500-2070 2000-2690 2700-3200	Феррит + (10-3 %) перлита     Перлит + (20-0 %) феррита

Из таблицы видно, что ферритные чугуны имеют более высокую пластичность, а перлитные – более высокую прочность и твердость.

Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельскохозяйственном, автомобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и дизелестроении. Из них изготовляют детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок; хорошие литейные свойства исходного белого чугуна – отливки сложной формы.

Недостаток ковких чугунов – повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

В табл. 5.4 приведены данные о соответствии марок сталей и чугунов России и некоторых зарубежных стран.

Таблица 5.9 Таблица соответствия марок сталей и чугунов России и некоторых зарубежных стран