Углеродистые и лигированные стали

Виды  стали

Сталь по химическому  составу делится на две группы: углеродистую и легированную, по качеству - на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества, высококачественную и особовысококачественную.

Углеродистой  сталью называется сплав железа с  углеродом (содержание углерода до 2%) с  примесями кремния, серы и фосфора, причем главной составляющей, определяющей свойства, является углерод. 
Процентное содержание элементов в стали примерно следующее: Fe - до 99,0; С - 0,05-2,0; Si - 0,15-0,35; Mn - 0,3-0,8; S - до 0,06; P - до 0,07. 
К недостаткам углеродистой стали относятся:

• отсутствия сочетания прочности и твердости с пластичностью;
• потеря твердости и режущей способности при нагревании до 200°C и потери прочности при высокой температуре;
• низкая коррозионная устойчивость в среде электролита, в агрессивных средах, в атмосфере и при высоких температурах;
• низкие электротехнические свойства;
• высокий коэффициент теплового расширения;
• увеличение веса изделий, удорожание их стоимости, усложнение проектирования вследствие невысокой прочности этой стали.

Легированной называется сталь, в которой наряду с обычными примесями имеются легированные элементы, резко улучшающие ее свойства: хром, вольфрам, никель, ванадий, молибден и др., а также кремний и марганец в большом количестве. Примеси вводятся в процессе плавки. 
По химическому составу (ГОСТ 5200) легированная сталь делится на три группы:

• низколегированная сталь - не более 2,5% примесей;
• среднелегированная - 2,5-10%;
• высоколегированная - свыше 10%.

Легированная  сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали повышает долговечность  изделий, экономит металл, увеличивает  производительность, упрощает проектирование и потому в прогрессивной технике  приобретает решающее значение. 

   Классификация конструкционных  сталей 

   Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

   По  химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие подразделяют на низко углеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые низкоуглеродистые (<0,3 % С), среднеуглеродистые

   (0,3-0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 %С).

   По  назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и

   горячего (до 200 єС) деформирования.

   По  качеству стали, классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойства стали, а также её технологичность во многом зависят от содержания газов (водорода, кислорода) и вредных примесей – серы и фосфора. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными.

   По  степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

   Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

   Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода  и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

   По  назначению конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений. 

   Углеродистые  стали 

   На  долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется  тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью  резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно  превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки  углеродистые стали охлаждают в  воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности  с легированными сталями их следует  подвергать отпуску при более  низкой температуре, поэтому они  сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную  прочность.

   По  статистической прочности стали  относятся преимущественно к  сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкционные стали выпускают  двух видов: обыкновенного качества и качественные.

   Стали обыкновенного качества выпускают  в виде проката (прутки, балки,

   листы, уголки, трубы, швеллеры и т.п.) в нормализованном  состоянии. В углеродистых сталях обыкновенного  качества допускается содержание вредных  примесей, а также газонасыщенность и загрязнённость неметаллическими включениями. И в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.

   Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях – «сп», полуспокойных – «пс», кипящих – «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой.

   Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.

   Сталь марки Ст3 используется в состоянии  поставки без обработки давлением  и сваркой. Ее широко применяют в  строительстве для изготовления металлоконструкций, в сельском хозяйственном  машиностроении (валики, оси, рычаги, изготовляемые  холодной штамповкой, а также цементируемые  детали: шестерёнки, порневые пальцы).

   Стали группы Б применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких деталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.

   Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций).

   Углеродистые  стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а  также слабонагруженных деталей  машин и приборов. Эти стали, используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных конструкций. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1-4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергается цементации.

   Низкоуглеродистые стали отличаются малой прочностью и высокой пластичностью в  холодном состоянии. Эти стали в  основном производят в виде тонкого  листа и используют после отжига или нормализации для холодной штамповки  с глубокой вытяжкой. Они легко  штампуются из-за малого содержания углерода и незначительного количества кремния, что и делает их очень мягкими. Их можно использовать в автомобилестроении для изготовления деталей сложной  формы. Глубокая вытяжка из листа  этих сталей применяется при изготовлении консервных банок, эмалированной посуды и других промышленных изделий.

   Среднеуглеродистые  стали номеров 3 и 4, обладающие большой  прочности предназначаются для  рельсов, железнодорожных колес, а  также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Применяют для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих циклические  нагрузки. В крупногабаритных деталях  больших сечений из-за плохой прокаливаемости механические свойства значительно снижаются.

   Высокоуглеродистые  стали 5 и 6, а также с повышенным содержанием марганца в основном используют для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки  и других изделий с высокой  упругостью и износостойкостью. Их подвергают закалке и среднему отпуску  на структуру троостит в сочетании  удовлетворительной вязкостью и  хорошим пределом выносливости.

   Углеродистые  качественные стали.

   Эти стали характеризуются более  низким, чем у сталей обыкновенного  качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок  и других полуфабрикатов с гарантированным  химическим составом и механическими  свойствами.

   Маркируют их двухзначными числами: 08, 10, 15, 20, 60, обозначающими  среднее содержание углерода в сотых  долях процента (ГОСТ 1050—88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 — 0,45 % С и т.д.

   Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с  индексами соответственно «пс» и «кп». Кипящими производят стали О8кп, 10кп, I5кп, I8кп, 2Окп; полуспокойными — О8пс, I0пс, I5пс, 2Опс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0.03 %‚:. в полуспокойных его количество ограничено 0.05 — 0.17 %.

   Содержание  марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 До 0,80 %. Содержание азота для сталей, перерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006 %; для остальных сталей — 0,008 %.

   Механические  свойства зависят от толщины проката.

   Качественные  стали находят многостороннее применение в технике, так как в зависимости  от содержания углерода и термической  обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

   Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы.

   1. Малопрочные и высокопластичные стали 08, 10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.

   2. Цементуемые — стали 15, 20, 25. Предназначены они для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от — 40 до 425єС.

   Среднеуглеродистые  стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большей  прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. В улучшенном состоянии стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т.п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости. Для деталей, работающих на растяжение — сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и, как следствие, сквозная прокаливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается 12 мм. для деталей (валы, оси и т.п.), испытывающих главным образом напряжения изгиба и кручения, которые максимальны на поверхности, толщина упрочненного при закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали. Возможный размер поперечного сечения таких деталей — 30 мм.