Качественные высокопрочные стали: конструкционная и инструментальная

Классификация качественных углеродистых сталей

Классифицировать углеродистые качественные стали конструкционные стали можно по следующим признакам:

• По назначению:
  для использования в машиностроении;
• для использования в строительстве;
• По количеству содержания примесей, снижающих качество:
  обыкновенного качества;
• качественные;
• высокого качества;
• особо высокого качества;

• По составу:
  наличие углерода: малоуглеродистые;
• среднеуглеродистые;
• высокоуглеродистые;

• По способу поставки:
  кованная;
• катанная;
• калиброванная;

• По обработке:
  обыкновенные;
• котельные;
• автоматные;

• По степени раскисления:
  кипящая (кп);
• полуспокойная (пс);
• спокойная (без обозначения).

Наглядная классификации видов стали

Раскисление оказывает влияние на однородность внутренней структур металла. Лучшей по однородности является спокойная (а, г), за ней следует полуспокойная (в, е) и менее качественная кипящая (б, д). Внутренняя структура хорошо показана на рисунке.

Конструкционная сталь низколегированная

Данный вид стали изготавливается согласно ГОСТу 19281-89.

Из конструкционной низколегированной стали производят корпуса вагонов, локомотивы, машин, применяемых в сельском хозяйстве. Изделия, изготовленные из этого вида стали способны выдерживать переменные динамические нагрузки.

Что касается такого свойства, как свариваемость, для низколегированной стали оно не ограничено.

Шарикоподшипниковая качественная конструкционная сталь

Изготавливается по ГОСТ 801-79.

Из шарикоподшипниковой стали изготавливают детали, которые могут работать действием переменного напряжения, которое образуется в месте взаимодействия шариков и роликов с беговыми дорожками колец.

Для сваривания данного вида стали применяется способ КТС.

Общая характеристика качественных углеродистых сталей

Основными отличиями качественных сталей от сталей обыкновенного качества являются:

• малое количество снижающих качество примесей: серы с фосфором;
• узкий диапазон количества углерода;
• увеличенное количество марганца или кремния.

Сталь поставляется от производителя с гарантией заявленного состава химических элементов и присущих им механических свойств.

Говоря о характеристиках качественных сталей следует выделить самые значимые:

• высокая прочность;
• пластичность;
• вязкозть ударная.

Изменение структуры стальных слитков в процессе твердения

Но для улучшения эксплуатационных характеристик сотрудники институтов и лабораторий экспериментируют над химическим составом, способами повышения прочности и твердости поверхностей, методами термической обработки, способами плавки и разливки металла. Механические свойства углеродистых качественных сплавов зависят от химического состава.

Свойства присущие углеродистым сплавам:

• Низкоуглеродистым – низкая прочность при высокой пластичности. Используются при производстве и изготовлении деталей и узлов со сложной конструкцией и небольшими нагрузками.Свойства присущие углеродистым сплавам:
• 15-20 – для неответственных деталей, которые не нуждаются в дополнительной термической обработке или подвергнутые нормализации.
• Среднеуглеродистые – для изготовления деталей, для которых предъявляются требования высокой твердости, но с пониженной пластичностью. Изделия, для которых необходима термическоя обработка: закалка поверхностного слоя, улучшению, нормализации. Для облегчения обработки резанием среднеуглеродистые стали подвергаются отжигу.
• Высокоуглеродистые, а также с дополнительно введенным марганцем – обладают высокими показателями упругости и стойкости к износу. Поэтому из нее изготавливают пружинные изделия.
• Автоматные – используются для обработки на автоматизированных станках. Фосфор и сера в большем количестве способствуют образованию мелкой стружки, что положительно сказывается на обрабатываемости, стойкости инструмента, но страдает шероховатость обрабатываемых поверхностей.

Скачать ГОСТ 1050-88

Конструкционная легированная сталь

Изготовление данного вида стали соответствует ГОСТу 4543-71. Она может быть качественной

,
высококачественной
и
особовысококачественной
.

Такое свойство легированной конструкционной стали, как свариваемость имеет не очень высокие показатели. Это связано с тем, что данный вид стали имеет предрасположенность к закалке околошовной зоны и образовании хрупких структур в ее составе. Поэтому при сварке необходимо применять специальные технологии, разработанные специально для этого вида стали.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Область применения достаточно широка. Основными потребителями сплавов являются машиностроительная и строительная отрасли. Одним из достоинств считается хорошая свариваемость.

Как следует из названия, «конструкционная» — значит использующаяся для строительных металлоконструкций. Другое название – арматурные стали.

Рассматривая основные марки качественных сталей, использующиеся промышленными предприятиями можно разделить по назначению.

1. Качественные низкоуглеродистые стали 05-10. Основное их назначение изготовление ответственных и качественных конструкций с помощью сварки (повышение количества углерода способствует понижению свариваемости). Небольшое количество углерода после сварочных работ не провоцирует образование трещин как горячем, так и в холодном состоянии.

1. Качественные низкоуглеродистые стали 12-20. Основное их назначение изготовление элементов конструкций и деталей, которые не ответственные, малонагруженные, в последствии цементируемые. Обрабатываются резанием, холодной штамповкой, сложной вытяжкой. Требования к поверхности: износостойкость, высокая твердость при мягкой сердцевине. Изготавливаются машиностроительные элементы (вал, ось, болт, муфта, вилка, рычаг, фланцы и прочие), а также элементов котлового оборудования, работающего при высоком давлении и температурах от -40°С до 450°С (трубопровод, тройник, соединительный фланец и прочие).

1. Качественные среднеуглеродистые стали 25-35. Детали, изготовленные из данного материала, работают при средних нагрузках и с невысокими напряжениями. После химико-термического воздействия обладают высокой прочностью поверхностного слоя, износостойкостью, но с незначительной прочностью сердцевины детали (гайка, винт, собачка, крюк, кулачок, звездочка и прочие).
2. Качественные среднеуглеродистые стали 40-45. После термической обработки изделия из данного материала хорошо переносят средние нагрузки (вал, шестерня, шатун и прочие). Для получения заготовок используется метод горячей объемной штамповки. Подвергаются всем способам термической обработки. У всех среднеуглеродистых сталей после закалки и следующего за ним высокого отпуска внутренней структурой становится отпускной сорбит. В связи с чем повышается вязкость с пластичностью, а это низкая чувствительность у концентраторов напряженности. При увеличении диаметра изделия снижается его прокаливаемость.

1. Качественные среднеуглеродистые стали 50-55. Детали из этих сталей являются высоконагруженными элементами механизмов и агрегатов (муфта, шестерня, кольцо пружинное и прочие).
2. Качественные высокоуглеродистые стали 60-80 (Г). Изготавливаются детали, подвергающиеся постоянным напряжениям сжатия, которые эксплуатируются в условиях трения (эксцентрик, рессора, пружина и прочие), а также работающие при больших нагрузках динамических и статических (торсион, крестовина).

1. Качественные котельные стали 12К-22К. Применение нашли при изготовлении деталей, работа котрых сопряжена с повышенными температурами и высоким давлением. Для улучшения свариваемости в состав вводится титан, а раскисление производится за счет алюминия. Из нее изготавливают сосуды и котлы, работающие с турбинами, камерами сгорания на суднах и паровых агрегатах.

1. Сталь автоматная. Широко применяется при промышленном производстве крепежных изделий для автомобилей и узлов, работающих при статических нагрузках (болт, гайка, шпилька).

Марки и характеристики конструкционных сплавов машиностроения

Машиностроительные стали особого назначения выполняются с добавлением никеля или комбинацию железа с никелем. Подразделяются на следующие группы:

• применяемые для изготовления продукции методом литья;
• автоматные;
• с повышенной долговечностью;
• с высокой коррозийной устойчивостью;
• шарикоподшипниковые;
• пружинные;
• с высокой термостойкостью;
• криогенные, не теряют свои свойства вследствие обработки отрицательными; температурами;
• жароустойчивые.

Жароустойчивые сплавы, которые содержат в небольшом соотношении кремний, могут быть использованы даже в условиях, в которых температурный предел достигает значения 5500 0С. Подобные углеродсодержащие стали, помимо собственной термоустойчивости, различаются таким рядом весомых данных: они отлично используются в кислых и науглероживающих веществах, не вступают в реакцию с появлением ржавчины в газовой среде. Значительный минус – проявление свойств ползучести при создании условий с воздействием больших нагрузок. Это также важно учитывать при подборе материала, расчете необходимых нагрузок, параметров по ним. Также важно и наличие окружающих сред.

Самыми популярными сплавами таких металлов считается 12Х13, 15Х25Т, 20Х20Н14С2, 15ХМ и другие. Из них можно производить:

• тару, в которой производится цементация металлических элементов;
• части двигателей поршневой категории;
• изделий из труб самого разной функциональности.

К классу низкотемпературных сплавов, что различаются высочайшей вязкостью, пластическими свойствами, относятся также стали с низким содержанием углерода, высоколегированные сплавы. Что интересно, ползучие характеристики увеличиваются не только лишь после снижения нагрева во время рабочего процесса. Влияет и термообработка с нормализацией и отпуском. Символьное обозначение такого вида соответствует ГОСТ 5632.

Конструкционные углеродсодержащие стали с термоустойчивостью имеют большую степень ползучести. Также для них характерно сопротивление появлению ржавчины в определенных состояниях агрессивной среды. Такие материалы идеальны для изготовления трубного проката, частей турбин, работающих на основе пара, газа с пределами температур от 400 до 6500 0С. Самыми популярными у покупателей видами пользуются сплавы 15ХМ, 15Х5М, ХН70Ю.

Есть группа описываемых сталей, которая отличается устойчивостью к появлению ржавчины – коррозии. Этого удалось достичь добавлением в состав хрома (от 12,5 %). Именно он улучшает качественные показатели, в том числе при влиянии агрессивных сред. По этой причине их используют для производства частей карбюраторов, труб, лопаток турбин парового типа, прочего.

В свою очередь их делят относительно особенностей структуры на следующие виды:

• мартенситные (30Х13, 20Х17Н2, 95Х18);
• мартенситной стареющей (09Х15Н8Ю);
• с аустенитной и ферритной (12Х18Н10Т, 15Х28).

Для получения из конструкционных углеродистых сталей, с хорошим показателем сваривания, металл подвергают отпуску. Несмотря на то, что свойства металлов разные, что касается и термической устойчивости, пластичности и вязкости, криогенные стал, сталь жаропрочная и жаростойкая, относят к сплавам, для которых характерны антикоррозийные свойства.

Особенности маркировки

Для обозначения используется буквенно-цифровой индекс. Цифры говорят о процентном содержании углерода (0,00%). Буквы (кп, пс или сп) говорят о степени раскисления, о повышенном количестве марганца (Г), алюминия (Ю), ванадия (Ф) и о способе обработки. Буква А, стоящая перед цифрами обозначает сплав автоматный, буква К после цифр – сплав котловой, ПВ – изготовлена горячим прокатыванием, ОсВ – металл для производства железнодорожных осей вагонов. Для обозначения качественных сталей в отличие от обыкновенного качества перед маркировкой пишется «Сталь».

Примеры:

1. Сталь 10. Содержание углерода порядка 0,1%, по степени раскисления спокойная.
2. Сталь 10 кп. Содержание углерода порядка 0,1%, по степени раскисления кипящая.
3. Сталь 20Г. Содержание углерода порядка 0,2%, марганца до 1%.
4. Сталь 30Г2. Содержание углерода порядка 0,3%, марганца до 2%.
5. Сталь А20. Автоматная со средним содержанием углерода порядка 0,2%.
6. Сталь 20К. Котельная со средним содержанием углерода порядка 0,2%.

Зарубежные производители аналогичной продукции производят маркировку по собственным стандартам.

Использование в строительной сфере

Для конструкционных сталей, которые покупают для применения в строительном направлении, следует выбирать варианты с низким содержанием легирующих компонентов (кремния, хрома, марганца). Углерода должно быть 0,1 – 0,2 %. Такой состав позволяет достичь качественного соединения деталей в процессе применения сварки. Также появляются особенности, полезные для функциональных характеристик строительных зданий. К таким относится:

• ковкость, вязкость;
• относительное вытягивание;
• плотность структуры кристаллической решетки, вязкость.

Выбор для отрасли, связанной со строительными типами работ в пользу низколегированных сталей дает возможность вкладывать меньше средств на необходимом сырье. Процент экономии может составить до трети необходимого. Проведение легирования повышает степень закаливания, также увеличивается и параметр предельной текучести.

К самым востребованным категориями описываемых сталей, которые поступают в производство в виде сортового металла, листов, лент и прутков относятся варианты 14Г2; 15ХСНД; 10Г2С1; 18Г2; 25Г2С; 35ГС.