Конструкционная сталь что это такое

Конструкционные стали представляют собой особые виды сплавов, которые применяются для изготовления различных конструкций, деталей и механизмов, используемых при производстве станков, машин, всевозможного оборудования, а также при строительстве объектов. Свойства, физические и механические качества конструкционных сталей обусловлены составом сплавов, в которых нередко сдержатся всевозможные вредные примеси. Самыми опасными из химических элементов, влияющих на прочностные характеристики конструкционных сталей, являются сера и фосфор, которые придают сплавам хрупкость и ломкость. В зависимости от количества их содержания конструкционные стали подразделяются на обыкновенные, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Содержание вредных примесей в них колеблется от 0,05 до 0,015%. Конструкционные обыкновенные стали имеют несколько подгрупп, классификация по которым осуществляется не только по наличию тех или иных химических компонентов, но и на основании технических характеристик получаемых сплавов. Основное их предназначение – изготовление балок, швеллеров, заклепок, уголков, болтов, труб, гвоздей и проволоки, т.е. тех деталей и предметов, которые при эксплуатации не подвержены повышенным физическим и механическим нагрузкам. Конструкционные качественные стали имеют гораздо меньше химических добавок и механических вкраплений. При их производстве допустимый уровень таких вредных примесей, как сера и фосфор, не может превышать 0,04%. Качественные конструкционные стали имеют более широкую область применения. В частности, из них методом холодной штамповки изготавливают различные детали, используемые в машиностроении, а также всевозможные пружины и рессоры. Следует отметить, что обыкновенные и качественные конструкционные стали являются углеродистыми, однако содержание этого химического вещества в них является незначительным. Именно этим объясняется их мягкость и легкость в механической обработке. К высококачественной конструкционной группе относятся практически все виды легированных сталей, которые отличаются повышенными прочностными характеристиками. Они используются в тяжелом и легком машиностроении, применяются для изготовления инструментов, различных строительных конструкций, востребованы при изготовлении всевозможных деталей для сельхозтехники. При этом высококачественные конструкционные стали имеют более десятка различных подргупп, классификация по которым осуществляется на основе их физико-химических свойств и области применения. Так, высококачественные конструкционные стали могут быть арматурными, строительными, цементируемыми. Кроме этого, существуют стали, предназначенные исключительно для холодной штамповки или же обладающие свойствами улучшения прочностных характеристик при термической обработке. Тем не менее, изделия, изготовленные и высококачественной конструкционной стали, не рассчитаны на повышенные нагрузки. Для этих целей применяются различные виды особовысококачественной конструкционной стали, которые обладают уникальными характеристиками. К наиболее распространенной группе особовысококачественных конструкционный сталей относятся так называемые мартенисто-стареющие сплавы, обладающие повышенным пределом выносливости. Основная их область применения заключается в изготовлении высоконагруженных деталей, а также тросов и крепежей. К числу особовысококачественный видов также относятся шарикоподшипниковые конструкционные стали и специальные сплавы, обладающие повышенной износостойкостью, жаростойкостью и пониженной чувствительностью к коррозии. Кроме этого, для работы в агрессивной среде нередко применяются двухслойные стали, в состав которых входит никель и хром. Следует также отметить, что к особовысококачественным видам относятся криогенные виды конструкционной стали, которые не утрачивают своих прочностных характеристик при низких температурах, поэтому могут использоваться в условиях вечной мерзлоты при строительстве объектов, а также для изготовления особо прочных емкостей, применяемых при транспортировке сжиженных газов.

Классификации инструментальных сталей и сплавов

По структурному признаку различают:

а) стали, содержащие С сверх эвтектоидной концентрации и имеющие после закалки твердую металлическую основу (мартенсит), в которой распределены еще более твердые включения (карбиды); б) доэвтектоидные стали с повышенным содержанием С, получающие после закалки мартенситную структуру и высокую твердость; в) аустенитные сплавы с пониженным содержанием С (0,1-0,4%), приобретающие высокую твердость вследствие карбидного и интерметаллидного упрочнения; г) стали, устойчивые против коррозии и имеющие повышенное содержание С.

Cтали неглубокой прокаливаемости.

Стали для режущих и измерительных инструментов по технологическим свойствам подразделяются на стали неглубокой прокаливаемости и стали глубокой прокаливаемости.

Cтали неглубокой прокаливаемости подразделяются на углеродистые и легированные с небольшим содержанием хрома (до 0,7%) и ванадия V, а также мало прокаливающиеся вольфрамовые стали, не содержащие других легирующих элементов.

Быстрорежущие стали обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и красностойкостью. Применяются для высокоскоростного резания.

Стали глубокой прокаливаемости

Стали для режущих и измерительных инструментов по технологическим свойствам подразделяются на стали неглубокой прокаливаемости и стали глубокой прокаливаемости.

Стали глубокой прокаливаемости обладают большей устойчивостью переохлажденного аустенита; при закалке они приобретают мартенситную структуру и высокую твердость. В закаленном состоянии эти стали сохраняют больше остаточного аустенита, чем стали неглубокой прокаливаемости, что уменьшает объемные изменения и деформацию.

Легированные стали для ударного инструмента

Химический состав и назначение легированных сталей для ударного инструмента приведен в таблице.

Легированные стали для штампов холодного деформирования.

Эти стали должны обладать твердостью и прочностью, большими, чем твердость и прочность деформируемого металла; высокой износостойкостью; достаточной вязкостью; соответствующей прокаливаемостью; незначительными объемными изменениями при закалке.

Применение специальных твердых сплавов дает возможность вести обработку металлов со сверхвысокими скоростями резания, поскольку эти сплавы обладают очень высокой твердостью, износоустойчивостью и красностойкостью. Основу твердых сплавов составляют карбиды тугоплавких металлов: WC, TiC, VC, TaC, NbC, CrC и др., которые имеют высокие температуры плавления, повышающие температуры плавления исходных металлов.

Читать также:  Как определить давление по манометру

Легированные стали для штампов горячего деформирования

Легированные стали для штампов горячего деформирования применяют при попеременном нагреве и охлаждении рабочей поверхности штампов. Эти стали должны обладать высоким сопротивлением пластической деформации (большим, чем у обрабатываемого металла), обеспечивающим сохранение форм и размеров штампа; высокой теплостойкостью, обеспечивающей сохранение механических свойств и износостойкости при значительном нагреве; высокой разгаростойкостью (сопротивлением термической усталости при переменном нагреве и охлаждении рабочей поверхности). При этом разгаростойкость тем больше, чем ниже содержание С (а также W), меньше твердостьстали и выше температуры критических точек. При весьма низком содержании С и недостаточной твердости снижаются прочностные характеристики штамповых сталей.

Конструкционная сталь – сталь предназначенная для изготовления деталей машин и различных строительных сооружений. Поэтому к группе конструкционных сталей следует относить пружинные, клапанные стали, стали для турбинных лопаток, подшипников и др . Однако значительное различие в составе и свойствах названных сталей делает целесообразным выделение их в специальные группы; к конструкционным сталям обычно относят лишь улучшаемые и цементируемые стали.

Главной характеристикой конструкционных сталей являются их механические свойства при статических и динамических нагрузках . Иногда к ним предъявляют дополнительные требования, например стойкость против коррозии, износостойкость и др. В отдельных случаях необходимыми свойствами обладает простая углеродистая сталь, а в других случаях конструкционную сталь необходимо легировать теми или иными элементами.

Конструкционные стали подразделяют в свою очередь по назначению на строительные (главным образом низкоуглеродистые) и машиностроительные (средне- и низкоуглеродистые) . Низкоуглеродистые машиностроительные детали (углеродистые и легированные) с содержанием углерода до 0,20—0,25% используют для изготовления деталей, подвергаемых цементации. Поэтому конструкционные стали этой группы принято называть цементуемыми. Среднеуглеродистые (от 0,25—0,30 до 0,50—0,55%С) конструкционные машиностроительные стали приобретают хорошее сочетание механических свойств после закалки и высокого отпуска. Такую термическую обработку называют улучшением, поэтому эти стали составляют группу улучшаемых сталей.

Низкое содержание углерода в строительных сталях вызвано тем, что эти стали должны хорошо свариваться. Кроме того, эти стали менее склонны к потере вязкости при понижении температуры и старении . Как правило, они содержат не более 2% легирующих элементов, и поэтому их относят к низколегированным конструкционным сталям.

В электропечах выплавляют в основном легированные конструкционные качественные и высококачественные стали. Принадлежность к классу качественного и высококачественного металла определяется содержанием вредных примесей, в первую очередь фосфора и серы. Количество этих примесей ограничивается, и в зависимости от назначения стали должно быть не более 0,025—0,04% для каждой из них.

Свойства конструкционной стали характеризуются низкой прокаливаемостью , в связи с чем для них высокие механические свойства после термической обработки могут быть получены только в поверхностном слое. Для получения необходимой структуры и увеличения прокаливаемости улучшаемых сталей в них вводят хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний, ванадий и другие легирующие элементы.

Высокую ударную вязкость конструкционной стали придает никель . В сочетании с хромом добавки никеля позволяют получать и глубокую прокаливаемость, которая определяет способность стали к равномерному улучшению свойств по всему сечению . Поэтому хромоникелевые улучшаемые стали широко применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных изделий (оси, валы, муфты).

Недостатком хромоникелевых контструкционных улучшаемых сталей является их склонность к отпускной хрупкости , которая устраняется введением 0,20—0,40% молибдена. При этом повышаются также и прочностные свойства стали.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые конструкционные стали широко применяют для изготовления крупных цементуемых изделий (шестерен, валов, шатунов) . Карбиды хрома и молибдена придают цементированному слою высокую износостойкость, а никель улучшает прочность и пластичность этого слоя и уменьшает отрицательное влияние хрома и молибдена на повышение содержания в цементуемом слое углерода. В результате высокая прочность цементированного слоя сочетается с высокой прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины.

Сейчас наблюдается тенденция к замене дефицитного молибдена вольфрамом. Присадка вольфрама существенно повышает предел прочности, пластичности и вязкость конструкционных сталей , легированных с хромом и никелем, а также устраняет склонность к отпускной хрупкости. Вместо хромоникельмолибденовых конструкционных сталей широко используют стали 30Х2Н2ВА, 35X3BA, 40Х4ВА. Особенно широкое применение для изготовления тяжелонагруженных изделий получила конструкционная сталь 18Х2Н4ВА.

Имеется группа стали конструкционных марок, которые легируют адюминием . Применение для легирования стали алюминия обусловлено его большим сродством к азоту. Образуя в процессе изготовления стойкие нитриды, алюминий позволяет получать металл, свойства которого характеризируются очень высокой твердостью на поверхности (до HRC 70) и высоким сопротивлением истиранию, причем при содержании алюминия 0,5—1,5% это сочетается с хорошей вязкостью сердцевины.

Высокую прочность сердцевины термообработанных изделий из легированных алюминием сталей можно получить, если одновременно сталь легировать еще и хромом . Но при этом повышается склонность металла к отпускной хрупкости. Это недостаток e легированных хромом и алюминием сталей устраняют добавками молибдена или вольфрама и ванадия .

Читать также:  Ленточная пила принцип действия

В СНГ получили распространение конструкционные стали трех марок, содержащие от 0,4 до 1,1% Al: 38ХЮА, 38ХМЮА и 38ХВФЮА. Склонную к отпускной хрупкости марку 38ХЮА применяют для деталей, не подвергающихся высоким нагрузкам. Стали 38ХМЮА. и 38ХВФЮА применяют для ответственных деталей турбиномоторостроения, работающих при температурах до 450° С (гильзы, цилиндры толкатели, шестерни), а также изделий сложной конфигурации , от которых требуется высокая поверхностная твердость, износостойкость и повышенный предел выносливости.

Для изготовления рессор и пружин используют конструкционные стали, легированные одним кремнием (1,5—2,0%). Повышая пределы прочности и текучести и способствуя образованию волокнистой структуры, кремний улучшает свойства рессор и пружин . Улучшению закаливаемости и уменьшению склонности к обезуглероживанию рессорно-пружинной стали способствуют добавки марганца. Кроме кремнемарганцовистых сталей, для этих целей применяют также хромокремнистые конструкционные стали.

Высокими пределами прочности и текучести в сочетании с устойчивостью против отпуска отличаются стали с кремнием, легированные дополнительно хромом и марганцем. Эти марки (20ХГСА, 3ОХГСА и др.), содержащие 0,90—1,20% Si, используют вместо хромоникелевых и хромоникельмолибденовых. Так как кремний увеличивает и износостойкость, такие стали применяют для изготовления шестерен, зубчатых колес, различных валов и осей .

Наиболее распространенным дефектом конструкционной стали являются флокены .

Очень распространены также дефекты, вызванные описанными в разделе разливка стали, ликвационными явлениями. Эти дефекты в продольных темплетах слитка проявляются в виде полос повышенной травимости или темных полос на серных отпечатках. Обычно эти полосы наклонены с уширением книзу («усы»). Но иногда они имеют и противоположный наклон с уширением кверху.

На поперечных темплетах из катаных заготовок после травления и на серных отпечатках из таких темплетов ликвационная неоднородность проявляется в виде пятнистой ликвации или ликвационного квадрата.

Иногда в изделиях из конструкционных сталей выявляются дефекты в виде тонких нитей — волосовин, свидетельствующих о несплошности металла . Располагаются эти линии в направлении течения металла при горячей обработке давлением. Волосовины встречаются на поверхности катаных или кованых заготовок или чаще во внутренних слоях металла, выходя на поверхность лишь в процессе изготовления деталей, в частности при ступенчатой обточке.

Конструкционная сталь что это такое
Рисунок.1 Дефекты конструкционной стали

Поверхностные волосовины являются следствием разных причин, связанных главным образом с образованием плохой поверхности слитков при разливке. Их удаляют зачисткой поверхности заготовок.

Внутренние волосовины образуются вследствие скопления неметаллических включений — продуктов раскисления, вытянутых в направлении течения металла в процессе горячей обработки давлением. Чаще всего это включения силикатов.

В слитках малоуглеродистой легированной конструкционной стали ряда марок (18Х2Н4ВА, 25Х2Н4ВА, 12ХНЗА и др.) часто образуются такие дефекты как межкристаллические трещины . Эти дефекты конструкционной стали усадочного происхождения расположены обычно по оси слитка, но не доходит до его головной и нижней зон . На поперечных темплетах заготовок трещины после травления являются в виде извилистых линий — «пауков».

Перечисленные дефекты вызывают ухудшение качества металла, и для их предотвращения в процессе выплавки и разливки стали принимаются специальные меры.

Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин и механизмов, конструкций и сооружений. Эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Содержание углерода в сталях этой группы не превышает 0,8 %.

Конструкционная сталь должна обладать хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка) и резанием, хорошо свариваться, максимально прокаливаться, иметь малую склонность к деформации и трещинообразованию при закалке и др.

Углеродистые конструкционные стали делят на стали обыкновенного качества и качественные стали.

Углеродистые стали обыкновенного качества

Углеродистые стали обыкновенного качества дешевле, чем качественные. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей (Р, 8, 0, 14). Углеродистые стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация, они нередко содержат большое количество неметаллических включений. Из них изготовляют детали менее ответственного назначения; горячекатаный сортовой прокат: прутки, швеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных, сварных, клепаных и болтовых конструкций и для малоответственных деталей машин.

В зависимости от свойств стали обыкновенного качества подразделяют на три группы (ГОСТ 380—94).

Группа А — стали поставляют по механическим свойствам без уточнения их химического состава в виде листов и различных профилей без последующей обработки давлением, сваркой или термической обработки, поскольку их химический состав, определяющий режим обработки, не регламентируется и может сильно колебаться.

Маркировка. Углеродистые стали группы А обозначаются буквами «Ст» и цифрами: 1, 2, 3, . 6, например: Ст1, Ст2 и т. д. Чем больше это число, тем выше прочность и ниже пластичность.

Группа Б стали, поставляемые с гарантируемым химическим составом.

Маркировка. В обозначении стали группы Б впереди ставится буква «Б», а в конце указывается степень раскисления: кп — кипящая сталь; сп — спокойная сталь; пс — полуспокойная сталь, например: БСт1кп, БСт2кп, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСтб. Чем выше число, тем больше в стали углерода. Например, сталь марки БСтЗсп содержит 0,14—0,22 % С; марки БСт4кп — 0,18—0,27 % С; БСтбсп — 0,38—0,49 % С. В спокойной стали содержится 0,12—0,3 % кремния, в полуспокойной — 0,05—0,17 %, в кипящей — меньше 0,07 %.

Читать также:  Примером шкалы интервалов может служить

Группа В стали повышенного качества. Их поставляют с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.

Маркировка. В обозначение сталей группы В ставится буква «В», например: ВСт1, ВСт2 и т. д. Состав стали соответствует аналогичной стали группы Б, а механические свойства — стали группы А (Ст1—Стб).

Стали групп Б и В применяют в тех случаях, когда при производстве изделий используется сварка, горячая деформация или изделие необходимо упрочнять термической обработкой.

Углеродистые конструкционный стали обыкновенного качества применяют для автомобильных деталей, изготовляемых с помощью сварки и работающих при небольших нагрузках. Например, стали СтО—Ст4 используются при производстве малона-груженных деталей кузовов автомобилей, крепежных деталей, гнутого профиля; Ст5, Стб — для средненагруженных осей, малоответственных болтов и гаек, клиньев, планок и т. д.

Качественные углеродистые стали

Качественные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1050—88 выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу: содержание серы должно быть меньше 0,04 %, фосфора — меньше 0,035—0,04 %, а также меньше неметаллических включений. Кроме того, регламентированы макро- и микроструктуры.

Маркировка. В обозначение качественных углеродистых сталей входят цифры 08, 10, 15, 20 и т. д. до 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, перед цифрами пишется слово «Сталь». Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексом: соответственно «пс» и «кп».

Низкоуглеродистые стали (05кп, 08, 07кп, 10, Юкп) обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Без термической обработки их применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Эти стали можно использовать в автомобилестроении для изготовления деталей сложной формы.

Стали 15; 20; 25 применяют без термической обработки или в нормализованном виде. Они поступают в виде проката, поковок, труб, листов, ленты и проволоки и предназначаются для менее ответственных деталей.

Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность ее к образованию при сварке горячих и холодных трещин.

Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50) применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для различных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми сталями имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали в отожженном состоянии достаточно хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита.

Высокоуглеродистые стали (60, 65, 70, 75, 80 и 85) и стали с повышенным содержание марганца (60Г, 65Г, 70Г) в основном используют для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью.

Качественную конструкционную сталь, предназначенную для повышенной обрабатываемости резаньем на станках-автоматах (автоматная сталь), маркируют буквой «А» (А20, А40). Повышенная обрабатываемость резанием достигается увеличением содержания в стали серы, фосфора и свинца. Такая сталь снижает износ металлорежущего инструмента и позволяет использовать автоматическое оборудование.

В автомобилестроении конструкционные качественные углеродистые стали идут на изготовление деталей кузова, двигателей и нормалей.

Стали марок 08 и 10 применяют для штамповки кузовных облицовочных деталей, панелей крыши и дверей.

Стали марок 15—25 хуже деформируются, но хорошо свариваются и подвергаются химико-термической обработке. Они применяются для деталей, изготовляемых штамповкой, высадкой и протяжкой (поперечины, распорки, усилители, рычаги, кронштейны, валы рулевых механизмов, тяги, шкивы, крепеж и пр.).

Стали марок 30—55 идут на изготовление методом горячей штамповки различных деталей широкого применения: валов, зубчатых колес, полуосей и т. д. Эти стали можно обрабатывать всеми видами термической обработки, значительно повышая эксплуатационные и прочностные свойства деталей.

Стали марок 60—85 обладают высокой прочностью и упругостью в результате закалки и отпуска. Из них изготовляют детали, работающие при больших статических и динамических нагрузках: крестовины карданных шарниров, диски сцепления, гибкие валы. Эти стали, а также стали марок 60Г и 70Г используют для изготовления пружин, рессорных листов и торсионов.

Автоматная сталь применяется для изготовления крепежных автомобильных деталей (болтов, гаек, шпилек) на автоматных станках.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *