Виды конструкционных сталей

В зависимости от применения в конкретных деталях и узлах конструкционные стали подразделяют на строительные, машино­строительные, пружинные, шарикоподшипниковые, высокопрочные и др.

Конструкционные строительные стали.

К конструкционным строительным сталям относятся углеро­дистые стали обыкновенного качества, качественные и низколегированные конст­рукционные стали, содержащие недорогие и доступные легирующие элементы (обычно до 2,5 %). Для сварных конструкций обычно применяют сталь Ст3 группы В, не свариваемых – группы А.

Углеродистые стали обыкновенного качества.

Содержание S, P в этих сталях ~0,06-0,07%. Эти наиболее дешевые стали, которые производят в большом количестве. Из них изготавливают горячей прокаткой балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, свариваемые трубы, несущие и ненесущие элементы сварных конструкций; детали котлов, выполненные из листа толщиной до 10мм и т.п. В горячекатаном состоянии ста­ли имеют феррито-перлитную структуру. Обычно их применяют без упрочняющей термической обработки.

Стали группы В используют для сварных строительных конст­рукций. Свариваемость - одно из главных технологических требова­ний, предъявляемых к строительным сталям, так как большинство строительных конструкций – сварные. Свариваемость зависит в первую очередь от содержания в стали углерода. С увеличением содержания углерода свариваемость ухудшается. Поэтому хорошо свариваются стали с низким содержанием углерода (С< 0,22-0,25 %). Поскольку сварочному нагреву подвергается только ограниченная часть конст­рукции, то гарантированные в состоянии поставки механические свойства остаются неизменными на большей ее части, не подвергав­шейся сварочному нагреву.

Стали групп Б и В могут подвергаться горячей обработке давлением.

Углеродистые стали обыкновенного качества всех трех групп применяют в сварных, клепаных, соединенных болтами металли­ческих конструкциях и сооружениях, а также для изготовления слабо­нагруженных деталей машин.

Для строительства конструкций и машин, эксплуатируемых в северных районах, где температура зимой бывает ниже – 40-50 ⁰С, большое значение имеет температура перехода стали в хрупкое состояние (порог хладноломкости). Эта температура для кипящей cтали выше, чем для спокойной (это объясняется повышенным содержа­нием вредных примесей Р, S, О, N в кипящей стали). Полуспокойная сталь занимает по склонности к хладноломкости промежуточное по­ложение между кипящей и спокойной сталями. Поэтому строитель­ные конструкции и машины северного исполнения (для работы в се­верных районах) необходимо изготовлять из спокойной стали.

Углеродистые стали качественные. От сталей обыкновенного качества эти стали отличаются меньшим содержанием серы (не более 0,04%), фосфора (не более 0,035-0,04) и меньшим количеством неметаллических включений. Маркируются эти стали двузначными числами, обозначающими содержание углерода в сотых долях %: 08, 10, 15 и до 85. Они могут быть кипящими (08кп), полуспокойными (08пс) и спокойными (08сп). Кипящими производят стали 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп; полуспокойными - 08пс, 10пс, 15пс, 20пс. К качественным сталям относятся стали с повышенным содержанием марганца до 1%). Тогда в конце марки ставят букву Г (например, 15Г).

Качественные стали подразделяют на:

· Низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25%. Стали высокой пластичности и низкой прочности (08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г-25Г. Эти стали применяют для весьма малонагруженных деталей (кулачковые валики, оси, втулки, шестерни и т.д.), изготавливаемых штамповкой, сваркой, обработкой резанием. Механические свойства: _В=330-420 МПа; ε=25-32%; ψ=55-60%.

· Среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,3-0,55%. Применяются после нормализации, улучшения, закалки ТВЧ и низкого отпуска (в зависимости от требуемых свойств). Изготавливают валы, шестерни, шатуны и т.д. Механические свойства: _В=460-640 МПа; ε=14-23%; ψ=40-50%.

· Углеродистые стали высокой прочности, износостойкие и с высокими упругими свойствами содержат С=0,6-0,85%. После закалки ТВЧ и среднего отпуска, нормализации и ХТО детали из этих сталей могут работать в условиях трения при наличии высоких статических и динамических нагрузках.

Низкоуглеродистые стали 05кп; 08кп; 10 и 10кп обладают малой прочностью и высокой пластичностью. Их применяют без термической обработки для изготовления малонагруженных деталей (шайб, прокладок и др.), элементов сварных конструкций, изготовляемых холодной деформацией.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45,50, 55 применяют после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки. В нормализованном состоянии эти стали, по сравнению с низкоуглеродистыми, обладают большой прочностью, но меньшей пластичностью. После термического улучшения достигается наилучшее сочетание механических свойств. После поверхностной закалки сталей 40, 45, 50 обеспечивается высокая поверхностная твердость деталей (HRC 40-58) и сопротивление износу. Среднеуглеродистые стали применяют для изготовления самых разнообразных деталей во всех областях машиностроения.

Стали с высокой концентрацией углерода 60, 65, 70, 75, 80, 85 используют в основном как рессорно-пружинные. В нормализованном состоянии эти стали также применяют для прокатных валков, шпинделей станков и других крупных деталей. Достоинствами углеродистых качественных сталей является дешевизна и технологичность.

Однако вследствие малой прокаливаемости углеродистые стали не обеспечивают требуемого комплекса механических свойств в деталях сечением более 15-20 мм.

Низколегированные стали.

Применение низколегированных строительных сталей, обла­дающих повышенной прочностью и пониженной склонностью к хруп­кому разрушению по сравнению с углеродистыми сталями, позволяет уменьшить массу строительных конструкций и повысить их надеж­ность.

В зависимости от достигаемого уровня прочностных свойств (основным показателем прочности принимают предел текуче­сти) низколегированные стали можно разделить на стали повышен­ной прочности ( d_Т < 400 МПа) и стали высокой прочности ( d= 450-750 МПа).

Стали повышенной прочности поставляют в горячекатаном со­стоянии с феррито-перлитной структурой. Химический состав сталей и нормы механических свойств определяются соответственно ГОСТ 19281-73 и ГОСТ 19282-73.

Высокопрочные стали представляют интерес, потому что, имея наиболее высокую прочность, они в то же время обладают малой склонностью к хрупкому разрушению. Сочетание этих свойств достигается контролируемой прокаткой, созданием малоперлитных и бейнитных сталей, карбонитридным упрочнением.

Карбонитридное упрочнение получают за счет мельчайших частиц карбонитридных фаз, которые образуются при наличии в стали ванадия и ниобия при повышенном содержании азота (до 0,030 %). Упрочняющими фазами являются карбонитриды ванадия V(CN) и ниобия Nb(CN). Примером стали с карбонитридным упрочнением является сталь 14Г2АФ (0,12-0,18 % С; 0,3-0,6 % Si; 1,2-l,6% Mn; 0,015-0,025% N; 0,07-0,12 % V).

Контролируемая прокатка обеспечивает получение мелкозернистой структуры стали. Она проводится по регламентированному режиму. Необходимо, чтобы на завершающем этапе прокатки температура была достаточно низкой (800-850°С), а степень деформации соответствовала 15-20%. Наилучшие результаты получаются при контролируемой прокатке сталей с карбонитридным упрочнением. Мельчайшие частицы карбонитридов тормозят развитие кристаллизации аустенита и способствуют формированию мелкозернистой структуры феррита при охлаждении стали, от температуры прокатки.

Малоперлитные стали имеют пониженное содержание углеро­да (до 0,10%), вследствие чего в структуре этих сталей уменьшается количество перлита. Это приводит к повышению ударной вязкости стали, снижению порога хладноломкости и улучшению свариваемости (например, сталь 09Г2ФБ с 0,09 % С).

Низкоуглеродистые бейнитные стали имеют повышенную ус­тойчивость переохлажденного аустенита. В процессе охлаждения от температуры прокатки аустенит распадается с образованием игольча­того феррита и малоуглеродистого бейнита. Типичным представите­лем такой стали является 08Г2МФБ ( 7< 0 0,08 % С; ~ 1,6 % Mn; ~ 0,2 % Мо; ~ 0,06% V; ~ 0,05 % Nb).

Машиностроительные стали.

Машиностроительные стали, предназначенные для изготовле­ния различных деталей машин и механизмов, классифицируют по со­ставу (углеродистые и легированные), обработке (цементуемые и улучшаемые), назначению (пружинные, подшипниковые и др.). Рас­смотрим отдельные группы машиностроительных сталей.

Цементируемые стали - стали, подвергающиеся цементации содержанием 0,08-0,25 % С, что дает возможность получать вязкую сердцевину. Эти стали для деталей, работающих на поверхностный износ (втулки, валики, оси, шпильки и др.). После цементации, закалки в воде и отпуска эти стали обеспечивают высокую твердость поверхности детали (HRC 60-64). Примеры цементируемых сталей: хромоникелевые, хромомарганцевые и др. – 20ХН, 12XH3А; 20ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 20ХНТ, 30ХНТ и др.

Улучшаемые стали - стали, подвергаемые термическому улучшению - закалке и высокому отпуску, обеспечивающим получение структуры: сорбит отпуска. Примеры: 40Х, 40Г2, 40ХГТР, 30ХГС (хромансил) и др. Эти стали обладают высокой конструктивной прочностью и используют для изготовления зубчатых колес, валов, осей, втулок и пр. Сталь 38ХН3ВА имеют прокаливаемость более 100 мм. Для устранения отпускной хрупкости хромоникелевые стали легируют Mo, W. Недостатки: высокая стоимость и пониженная обрабатываемость резанием.

Высокопрочные стали (30ХГСН2А, 40ХН2МА, 30ХГСА, 39ХН3МА, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ)- получают из среднеуглеродистых легированных сталей, применяя закалку с низким отпуском или изотермическую закалку получением структуры нижнего бейнита. Их используют в качестве конструкционных и путем подбора химического состава получают σ_в ≈ 1700-1900 МПа.

Мартенситостареющие стали : Н18К9М5Т, Н18К12М5Т2 и др. - группа высокопрочных сталей, отличающихся от других конструкционных сталей способом легирования и термической обработки. Эти стали используют для работы от -196°С до 450°С.

Основной легирующий элемент - никель. При добавке Ni точка А₃ снижается и становится возможным переход g®a по сдвиговому (мартенситному) механизму. Продукт превращения - никелевый мартенсит - твердый раствор замещения атомов железа атомами никеля в ОЦК-решетке, поэтому он пластичен, вязок и обладает умеренной прочностью. После старения при 480-500 ⁰С из мартенсита выделяются интерметаллиды NiTi, Ni₃Ti, что приводит к увеличению прочности. Добавки Ti, A1 и др. увеличивают конструкционную прочность. Механические свойства σ_В = 2200-2400 МПа, σ_Т = 1500-1800 МПа, ε = 12-15%, ψ = 40-55 %, ударная вязкость 0,6-1,0 МДж/м².

Применяют для изготовления наиболее ответственных деталей новой техники, в самолето- и ракетостроении, для пружин, в криогенной технике.

Пружинно-рессорные стали: 65, 85, 65Г, 60С2, 70СЗА и др. Кремнистые стали склонны к обезуглероживанию, трудно поддаются резанию.

Пружина работает в области упругих деформаций, когда между d и t наблюдается прямая пропорция (закон Гука: d = Е×t, либо F=k×x). При длительной работе эта зависимость может нарушаться, т.к. часть упругой энергии со временем (время релаксации) переходит в энергию пластической деформации. При этом напряжения снижаются.

Самопроизвольное снижение напряжений при постоянной суммарной деформации называют _релаксацией напряжений.

Пружины и рессоры изготавливают из углеродистых (0,65-0,85 %С) и легированных (0,5-0,7 %С) конструкционных сталей. Для уп­рочнения применяют холодную пластическую деформацию с после­дующим отпуском (старение) или закалку с последующим отпуском.

После навивки в холодном или горячем состоянии пружины подвергают отпуску при 175-250°С для снятия внутренних напряжений, повыше­ния предела упругости и стабилизации размеров. Легирующими элементами являются Si, Мn, Сr, V, W, которые повышают предел уп­ругости пружин.

Сталь 50ХФА применяют для ответственных пружин, работающих при высоких температурах (до 300 ⁰С), многократных переменных нагрузках. Она обладает высокой прокаливаемостью и не склонностью к росту зерна при высоких температурах.

Основное требование во избежание усталостных трещин – высокое качество поверхности.

Шарикоподшипниковые стали

При работе подшипника материал _колец, шариков и роликов подвергается воздействию высоких удельных нагрузок пере­менного характера; раздавливающей нагрузке, износу от трения качения или скольжения, хи­мическому износу, абразивному износу. Основные требования, предъявляемые к шарикоподшипниковой стали - это высокая прочность, износостойкость, высокое качество поверхности – отсутствие макро- и микровключений.. Это конструкционные стали с содержанием ~ 1 %С и нали­чием хрома (как основного легирующего элемента) и др.: ШX15 (прокаливаемость до 25 мм), ШХ15СГ (прокаливаемость до 65 мм), ШХ4 и др. Термическая обработка включает операции диффузионного отжига, закалки, обработки холодом для устранения остаточного мартенсита и низкого отпуска. Структура: скрытокристаллический мартенсит с равномерно распределенным мелким избыточным карбидом.

Иногда применяется графитизированная сталь (1,75% С; 1,25% Si). В отличии от чугунов она деформируется.

Износостойкая сталь.

Для работы в условиях изнашивания, сопровождаемого большими удельными нагрузками применяется сталь 110Г13А, Г13 (1% С, 12-14 % Мп). Сталь имеет аустенитную структуру, высокую вязкость, малую твердость (250 НВ). В процессе работы действуют высокие нагрузки, превосходящие предел текучести, т.е. происходит интенсивный наклеп и рост твердости и износостойкости.

Из этой стали изготавливают корпуса шаровых мельниц, щеки камнедробилок, крестовина рельс, гусеничные траки, козырьки землечерпалок.

Легированные свариваемые стали.

Эти стали легируют Mn, Si, повышающих предел текучести. Углерод повышает склонность стали к холодным и горячим трещинам, поэтому его содержание должно быть минимальным для заданной твердости: 19Г, 09Г2, 14Г2, 16ГС, 15ГФ, 15ХСНД.

Предел текучести углеродистых сталей ~280 МПа, а легированных – ~400 МПа. Введение Cr, Cu, Ni увеличивает коррозионную стойкость. Дополнительно раскисляют Al, Ti чтобы предотвратить укрупнение зерна в околошовной зоне.

Автоматные стали.

Их используют для изготовления неответственных деталей массового производства (болты, гайки, винты и т.п.), изготавливаемых на станках-автоматах. Эффективным приемом повышения обрабатываемости резанием является введение S, Se, Te, Pb для получения короткой стружки. Недостаток этих сталей – пониженная пластичность, непригодность для переплава.