Применение качественных углеродистых конструкционных сталей

Марка стали	Применение
08, 08кп, 10, 15, 20, 25	Детали с высокой пластичностью; штампуемые и свариваемые детали; детали, подвергаемые цементации поверхности (корпуса, кронштейны, валки, зубчатые колёса, шайбы, болты, винты, втулки).
30, 35	Детали, изготавливаемые штамповкой, резанием с достаточной вязкостью, без упрочнения термообработкой (оси, валы, зубчатые колёса, червяки, крепёжные детали).
40, 45, 50	Детали, изготовляемые резанием, с повышенной прочностью за счёт термообработки при средней вязкости (зубчатые колёса, червяки, детали крепления, оси, валы, втулки).
60, 65, 60Г, 65Г	Детали с высокой твёрдостью за счёт термообработки, детали с высокой износостойкостью при высоких прочностных характеристиках (кулачки, пружины, муфты, тормозные диски).

Конструкционные углеродистые стали выпускаются в виде разнообразных профилей большого количества типоразмеров. Приведены наиболее применяемые в конструкциях рэс сортаменты сталей.

Для плоских, гнутых, полых штампованных деталей применяют ленточную и листовую сталь. Листы из горячекатаной стали (сортамент по ГОСТ 19903-74) выпускают толщиной 0,4 12 мм. Листы толщиной до 4 мм имеют ширину 5001600 мм, длину 710  6000 мм.

Листы из холоднокатаной стали (сортамент по ГОСТ 19904-90) изготовляют толщиной 0,35  5,00 мм, имеют ширину 500  2300 мм и длину 1000  6000 мм.

Лента горячекатаная (сортамент по ГОСТ 1530-90) имеет толщину 2  8 мм, ширину 100  600 мм, изготавливается из стали марок 08  60 по ГОСТ 1050-88, марок 08Ю, 08пс, 08кн по ГОСТ 9045-93.

Лента холоднокатаная из низкоуглеродистой стали (сортамент по ГОСТ 503-81) имеет толщину 0,05  4,0 мм, ширину 4  450 мм, изготовляется из стали 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10 по ГОСТ 16523-89.

Лента холоднокатаная резаная из углеродистой стали для холодной штамповки (сортамент по ГОСТ 19851-74) имеет толщину 0,5  3,2 мм, ширину 100  200 мм, изготавливается из сталей 08кп, 08пс, 08 (ГОСТ 9045-93).

Проволока из углеродистой стали (сортамент по ГОСТ 17305-91) изготавливается из сталей марок 08  50 (ГОСТ 1050-88).

Для изготовления осей, шпилек применяют сталь круглую повышенной точности размеров и повышенной отделки поверхности (сортамент по ГОСТ 7417-75).

Для изготовления стоек, каркасов и различных подобных узлов применяют сталь угловую равнобокую (сортамент по ГОСТ 8509-93), угловую неравнобокую (сортамент по ГОСТ 8510-86), швеллеры (сортамент по ГОСТ 8240-89).

Характеристики сталей по размерам, допустимым отклонениям по профилю указаны в приведенных стандартах.

0. Легированные конструкционные стали

1.4.1. Классификация и маркировка легированных сталей

Легированные стали классифицируются по четырем признакам: по равновесной структуре, по структуре после охлаждения на воздухе; по составу и по назначению.

По равновесной структуре легированные стали подразделяются на доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, имеющие перлитную структуру; заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды; ледебуритные, имеющие в структуре первичные карбиды, выделявшиеся из жидкой стали.

По структуре, получаемой после охлаждения на воздухе, выделяют три основных класса сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный.

По составу легированные стали классифицируются на никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникелевомолибденовые и т.д. Основной классификационный признак в этом случае - наличие тех или других легирующих элементов.

По назначению легированные стали объединяют в следующие группы: конструкционные, идущие на изготовление деталей; инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного и штампового инструмента; стали с особыми свойствами - нержавеющие, жаропрочные, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами.

Для маркировки легированных сталей принята система, состоящая из букв и цифр, указывающих примерный состав стали, например, 45ХФ, 12ХНЗА, 20Х2НЧА и т.д. Первые цифры в маркировке обозначают содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: Х - хром, Н - никель, Г - марганец, М - молибден, Д - медь, Ю - алюминий, Т - титан, В - вольфрам, Р - бор, Б - ниобий, Ц - цирконий, С - кремний, П - фосфор, А - азот, Ф - ванадий, Ч - редкоземельные элементы. Цифры, идущие после букв, указывают примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании менее 1,5% цифра отсутствует. При маркировке некоторых инструментальных сталей, где содержание углерода больше 1 %, цифра впереди опускается, например, сталь Х12М содержит около 1,5 % С, около 12 % Cr и около 0,8% Mo. Легированные стали высококачественные, с содержанием S < 0,025 и Р < 0,025, обозначаются буквой А, помещенной в конце марки стали. Особо высо­кокачественные стали обозначается буквой Ш в конце марки. Например, сталь 12ХН3А содержит 0,12 % С, хрома (X) меньше 1,5 %, никеля (Н) 3 %, а остальное Fe. Буква А в конце маркировки указывает, что сталь высококачественная.

1.4.2. Конструкционные легированные стали

Конструкционные легированные стали применяют для деталей РЭС особо ответственного назначения. Основными легирующими элементами таких сталей являются Ni (0,5  4,5 % ), Cr (0,8  1,5 %), Si (0,5  1,2 %), Mn (0,8  1,8 %). Другие легирующие элементы (вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и др.) вводят в сочетании с хромом, никелем и марганцем для улучшения определенных свойств. В конструкционных сталях указанных легирующих элементов обычно содержится: 0,5  1,2 % W, 0,15  0,45 % Mo, 0,1  0,3 % V, 0,06  0,12 % Ti, 0,002  0,005 % B.

По равновесной структуре большинство конструкционных легированных сталей относятся к группе доэвтектоидных сталей, а по структуре, получаемой после охлаждения на воздухе, относятся к перлитному классу.

Чем больше легирующих элементов в стали, тем выше ее прочность, но ниже вязкость и пластичность. Степень влияния легирующих элементов на свойства стали неодинакова и зависит от формы, в которой они существуют в сплаве, от соотношения состава легирующих компонентов и от термической обработки. Наиболее высокие механические свойства легированные стали приобретают после термической обработки (закалки и отпуска). Применение легированной конструкционной стали для деталей РЭС, не требующих термообработки, не имеет смысла. Для этих деталей могут быть применены углеродистые качественные стали. Необходимо отметить, что хотя и в нормализованном состоянии легированные стали имеют большую прочность, чем углеродистые, однако они обладают меньшей пластичностью.

После термообработки в легированных сталях особенно сильно возрастают предел текучести, ударная вязкость и относительное сужение. Кроме того, они имеют мелкое зерно и более дисперсионные структуры. Легирующие компоненты увеличивают прокаливаемость* стали, что ведет к равномерному распределению и улучшению свойств по сечению. Для достижения высокой прокаливаемости конструкционной легированной стали чаще применяют как более дешевые элементы (марганец, хром, бор), а также и более дорогие (никель и молибден). Легирующие элементы упрочняют сталь, но при большом содержании могут ухудшить механические и технологические свойства, при этом повышают порог хладоломкооти (Т50) и уменьшают запас вязкости. Лишь Ni и Mo составляют исключение. Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению, увеличивает пластичность, вязкость, снижает температуру перехода в хрупкое состояние и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжения. Так как никель дорогой металл, то его вводят совместно с хромом, в результате чего получают конструкционные стали с очень высокими механическими свойствами. Для снижения порога хладоломкости, повышения работы распространения трещин и уменьшения чувствительности к концентраторам напряжения в стали вводят в небольших количествах (0,1  0,15 %) легирующие элементы (V, Ti, Nb, Zr).

При изготовлении деталей РЭС ответственного назначения применяют низкоуглеродистые и среднеуглеродистые легированные стали с использованием термической или химико-термической обработки (ГОСТ 4543-71). В табл. 1.5 приведены марки наиболее часто применяемых конструкционных легированных сталей и их механические свойства.

1.4.3. Коррозионно-стойкие стали (нержавеющие стали) и

стали для криогенных температур

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, можно разделить на два характерных класса:

1.Хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную или мартенситную структуру;

2.Хромоникелевые стали с аустенитной структурой.

___________________________

*Под прокаливаемостью понимают способность стали, получать закаленный слой с мартенситной или тростито - мартенситной структурой и высокой твердостью. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения.

Таблица 1.5

Механические свойства конструкционных легированных сталей и область их применения (ГОСТ 4543-71)

Марка стали	Вид термообработки	В, МПа	О, МПа	, %	Твёрдость НВ	Применение
1	2	3	4	5	6	7
15Х, 15ХА 20Х 40Х, 20ХН	Нормализация, цементация Закалка с отпуском	687 784 981	590 637 784	15 11 10	200  500 200 290	Детали, требующие повышенной прочности и износостойкости (шестерни, червяки валы, кулачки ).
20ХН 40ХН 30ХН3А 12ХН3А	Нормализация, цементация Закалка с отпуском -- Цементация	784 981 981 932	588 784 784 687 932	15 11 10 11	200 500 30 325 230 500	Детали, требующие повышенной вязкости сердцевины и твёрдости поверхности при цементации (оси, валы, зубчатые колёса, червяки).
20ХГСА 30ХГСА	Закалка С отпуском	784 1039	637 838	11 10	300 400	Детали, изготовляемые сваркой и резанием, требующие повышенной прочности и достаточной вязкости и работающие при знакопеременных нагрузках (оси, валы, рычаги)
38Х2Ю 38Х2МЮА	Закалка с отпуском Азотирование Закалка с отпуском Азотирование	950 1100	550 870	12 12	210 500 260 500	Азотируемые и силовые детали, работающие на выносливость (пальцы, кулачки, зубчатые колёса)

При введении в сталь более 12 % Cr делает ее коррозийно-стойкой в атмосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие меньше 12 % Cr, практически подвержены коррозии, как и железо. Стали, содержащие более 12 - 14 % Cr ведут себя как благородные металлы: обладая положительным потенциалом, они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей.

Хромистые нержавеющие стали применяют трёх типов: с 13, 17 и 28% Cr. Стали с17 и 28% Cr могут иметь небольшие добавки Ti и Ni. Титан вводят для измельчения размера зерна, а никель - для улучшения механических свойств. В сталях с содержанием 13 % Cr (20Х13, 30Х13, 40Х13) при нагреве и охлаждении протекают  превращения и в результате закалки и отпуска они приобретают мартенситную структуру высокой прочности. Стали с содержанием 17 и 28 % Cr относятся к ферритному классу, их структура - феррит. При термообработке у них нет фазовых превращений. Ферритной структурой обладают и хромистые стали с содержанием углерода более 0,1 %. Строение и механические свойства хромистых статей чувствительны к колебаниям содержания углерода. Чем больше С в стали, тем она прочнее при одинаковом содержании Cr. Стали с большим содержанием Cr обладают соответственно более высокой коррозионной стойкостью.

Стали 1Х13, 2Х13, 08Х13 применяют для деталей повышенной пластичности, подвергающихся ударным нагрузкам и работающим в слабо агрессивных средах при температуре не выше 30 °С. Стали 12Х13, 2013Х, 30Х13 имеют более высокие прочностные свойства при одинаковой коррозийной стойкости. Эти стали после термообработки используют для изготовления деталей (шестерни, валы), работающих в слабо агрессивных средах. После отжига сталь 12Х13 достаточно пластична, может штамповаться, обладает хорошей свариваемостью. В табл. 1.6 приведены механические свойства нержавеющих сталей после закалки и отпуска.

Таблица 1.6