Качественные высокопрочные стали: конструкционная и инструментальная

24.01.2022 Автор: VT-METALL

Из этого материала вы узнаете

:

• Описание углеродистой конструкционной стали
• Плюсы и минусы углеродистой конструкционной стали
• Разновидности углеродистой конструкционной стали в машиностроении
• Характеристики углеродистой конструкционной стали в строительстве
• Ограничения по использованию углеродистых конструкционных сталей

Углеродистые конструкционные стали являются весьма востребованными в строительстве и машиностроении, но также используются и в других областях промышленности. Универсальность обеспечивается характеристиками, которые позволяют подобрать необходимое сочетание качеств.

Впрочем, у этой особенности есть и обратная сторона – сложная классификация с обилием маркировок. В нашей статье мы расскажем, что собой представляет углеродистая конструкционная сталь, по каким признакам ее классифицируют и разберем ограничения в ее использовании.

Описание углеродистой конструкционной стали

Конструкции, механизмы, задействованные в промышленности и строительных работах, должны отличаться повышенной прочностью. Поэтому их производят из материала с особыми характеристиками, ведь от них зависит безопасная эксплуатация объекта при любых окружающих условиях. Углеродистая конструкционная сталь отвечает всем нормам по химическим, физическим и механическим показателям.

Данный металл выгодно отличается от других своей способностью справляться с постоянными и переменными нагрузками, является стойким к износу и образованию ржавчины. Чаще всего используют обычную углеродистую конструкционную сталь, но иногда прибегают к ее легированию при помощи определенных добавок, чтобы обеспечить материалу новые свойства.

Углеродистые конструкционные стали имеют в составе железо, кремний, медь, марганец, прочие вещества. Однако главной добавкой является углерод, поскольку от него зависят ключевые характеристики и степень прочности металла. Концентрация углерода определяет стойкость объекта к хладноломкости, способность справляться с производственными нагрузками, сменой погодных условий.

VT-metall предлагает услуги:

Среди конструкционных сталей принято выделять несколько классов в соответствии с долей вредных веществ – под последними понимают серу и фосфор. Чем больше этот показатель, тем ниже уровень хладноломкости и красноломкости металла.

Нелегированные углеродистые инструментальные стали

Данные стали в соответствии с ГОСТ 1435-90 делятся на качественные и высококачественные.

Качественные стали обозначаются буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали, в десятых долях процента. Так сталь У7 содержит 0,65-0,74% углерода, сталь У10 — 0,95-1,04%, а сталь У13 — 1,25-1,35%.

В обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А и т.д.).

Кроме того, в обозначениях как качественных, так и высококачественных углеродистых инструментальных сталей может присутствовать буква Г, указывающая на повышенное содержание в стали марганца. Например: У8Г, У8ГА.

Плюсы и минусы углеродистой конструкционной стали

Преимущества подобного металла становятся очевидны после того, как изделия проходят термическую обработку. Поэтому в процессе производства их подвергают воздействию температуры, чтобы проявить такие достоинства:

• Закалка и отпуск позволяют усилить сопротивление материала пластическим деформациям. В итоге данный показатель углеродистой конструкционной стали становится выше, чем у углеродистых сплавов при равном содержании углерода.
• В идентичных условиях конструкционная сталь прокаливается сильнее углеродистой. Из-за чего внешние элементы, имеющие значительную толщину, рекомендуется изготавливать из конструкционной стали с легирующими добавками. Благодаря составу, деталь прокаливается насквозь.
• Термическая обработка подобной стали может проходить с применением так называемых «мягких» охладителей, то есть масла. При помощи данного подхода серьезно сокращается вероятность растрескивания, коробления в процессе закалки.
• После термообработки и легирования у конструкционной стали возрастает вязкость, порог хладноломкости. Поэтому техника, в составе которой присутствуют детали из этого металла, считается более надежной.

Однако у углеродистой конструкционной стали есть и отрицательные свойства

:

• Большинство изделий из нее подвержено обратимой отпускной хрупкости.
• Под действием температуры сталь теряет изначальную твердость и сопротивление усталости.
• Ковка, прокатка приводят к тому, что структура изделий меняется на строчечную. В зонах деформации они утрачивают однородность, из-за чего металл становится сложно резать.
• Углеродистым конструкционным сталям, легированным никелем, свойственно формирование флокенов, то есть светлых пятен в изломе. Они появляются при выходе водорода, растворенного в металле. В поперечном разрезе такие дефекты выглядят как трещины, расходящиеся в разных направлениях.

Разновидности углеродистой конструкционной стали в машиностроении

Стали углеродистые обыкновенного качества, выпускаемые по ГОСТ 380-71

Данный тип сталей является наиболее распространенным и поставляется в виде проката в нормализованном состоянии. Он применяется в машиностроении, строительстве, пр.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества маркируют при помощи букв Ст и цифр в пределах от 0 до 6. Последние обозначают номер марки – чем больше число, тем выше доля углерода, прочность, при этом ниже пластичность.

Справа от номера марки пишут индекс: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная сталь. Между индексом и номером марки нередко есть буква Г, свидетельствующая о повышенной концентрации марганца. Слева от букв Ст указываются группы стали. Стоит пояснить, что всего выделяют три группы: А, Б, В, которые устанавливаются в соответствии с назначением и гарантируемыми свойствами металла.

Стали обыкновенного качества делят на категории, исходя из требований к нормируемым показателям, то есть к химическому составу и механическим свойствам. При маркировке углеродистых конструкционных сталей категорию обозначают цифрой, которая располагается справа от индекса степени раскисления.

Допустим, Ст6ГпсЗ говорит о том, что перед нами сталь группы А, марки Ст6, с повышенной долей марганца, полуспокойная, третьей категории. Если при заказе металла указана определенная категория, но неизвестна степень раскисления, категорию пишут за номером марки через тире, например Ст4-3. Для стали первой категории цифру 1 не ставят, поэтому маркировка выглядит таким образом: Ст4пс.

У сталей группы А

не регламентируется химический состав, зато гарантируются механические свойства. Такие металлы обычно становятся материалом деталей, при изготовлении которых не используется горячая обработка, то есть сварка, ковка и прочие методы.

Для стали группы Б

производитель не гарантирует механические свойства, а ее ключевой характеристикой считается химический состав. Этот металл используют для изделий, проходящих термообработку и горячую обработку давлением, например, штамповку, ковку.

Сталь группы В

поставляют в соответствии с механическими характеристиками, отвечающими нормам для группы А. Тогда как по химическому составу этот металл должен подходить под требования к углеродистым конструкционным сталям группы Б. Такой материал применяют в большинстве случаев для изготовления сварных конструкций.

Стали углеродистые качественные конструкционные, выпускаемые по ГОСТ 1050-74

Они отличаются от сталей обыкновенного качества меньшей долей серы, фосфора и прочих вредных примесей в составе. Также они имеют более узкие пределы содержания углерода в каждой марке и чаще всего более высокую концентрацию кремния и марганца.

Рекомендуем статьи

• Легированная сталь: виды, марки и назначение
• Коррозионностойкая сталь: виды и особенности
• Быстрорежущая сталь – характеристика, маркировка, области применения

Для маркировки качественных углеродистых конструкционных сталей используют двузначные числа, которые говорят о содержании углерода в сотых долях процента. Также нужно учитывать, что данный металл поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств.

По степени раскисления выделяют кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную сталь, которая не имеет соответствующего индекса. Буква Г также свидетельствует о повышенной доле марганца, но в пределах 1%.

Данная сталь бывает катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности, которая известна как серебрянка

.

Стали углеродистые специального назначения, выпускаемые по ГОСТ1414-75

Они имеют хорошую и повышенную обрабатываемость резанием, поэтому известны как автоматные стали. В первую очередь, такой металл применяется для изготовления деталей массового производства. При его обработке на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, обеспечивается меньший расход режущего инструмента, снижается уровень шероховатости обработанных поверхностей.

Автоматные углеродистые конструкционные стали со значительной долей серы и фосфора хорошо обрабатываются. Чтобы добиться высокой обрабатываемости резанием в металл вводят селен, свинец, теллур в качестве технических добавок.

Для маркировки данной группы сталей используют букву А и цифры, по которым можно определить среднее содержание углерода в сотых долях процента. Существуют такие марки автоматной стали: А12, А20, АЗО, А40Г.

Металл первой марки используют для производства неответственных деталей, тогда как из остальных делают элементы, призванные работать при повышенном напряжении и давлении. Данная сталь поступает в продажу в качестве прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Стоит оговориться, что такой металл не подходит для изготовления сварных конструкций.

Стали листовые, а именно котельные, ГОСТ 5520-79 и ТУ, предназначены для производства котлов и емкостей, работающих под давлением. Поэтому такие углеродистые конструкционные стали нашли применение в сфере изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин, прочих изделий. Их задача состоит в том, чтобы справляться с переменными давлениями и температурами в пределах +450 °С.

Немаловажным качеством котельной стали является хорошая свариваемость. Для этого в металл добавляют титан и дополнительно раскисляют его алюминием.

Существует несколько марок углеродистой котельной стали: 12К, 15К, 16К, 18К, 20К, 22К, доля углерода в них находится на уровне 0,08–0,28 %. Металл поставляют в виде листов толщиной не более 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска.

Особенности свойственные углеродсодержащим сплавам

Низкая углеродность – невысокая надежность при отличной гибкости. Применяется для получения деталей которые имеет сложное устройство в конструктивном плане, и на которые влияют минимальные степени нагрузок. Отличительные параметры углеродсодержащих сплавов: около 18 для неответственных изделий, что не требуют термообработки или нормализации.

С усредненным содержанием С2 – для получения изделий, требующих большой прочности, но со сниженной гибкостью. Детали, требующие термообработки: закалка верхней части, повышение качества, нормализации. Чтобы улучшить режущие качества стали со средним содержанием углерода стали проводят через отжиг.

Стали с высоким содержанием С2 и с примесями марганца имеют улучшенные качества по сроку эксплуатации, упругости. Это дает возможность применять их в качестве сырья в изготовлении пружин.

Автоматные – применяются в станочных работах с автоматизированным управлением. Элементы P и S в достаточном объеме приводят к получению стружки. Этот факт благоприятен для процесса обработки. Минус в получении поверхности отличной от гладкой.

Конструкционные стали в машиностроительной отрасли. Характерные черты хим состава дают возможность отметить в конструкционных сталях, применяемых с целью изготовления машиностроительной продукции,2 крупные категории:

• малоуглеродистые, среднеуглеродистые;
• низколегированные, среднелегированные.

Углеродистые сплавы обязаны отвечать целому ряду высококачественных и механических свойств, к наиболее важным из имеющихся можно отнести:

• ударную вязкость;
• гибкость;
• надежность.

Строение большинства конструкционных углеродистых сталей, применяемых с целью изготовления компонентов отрасли машиностроения, приравнивается к доэвтектоидному перлитному виду. Самыми покупаемыми моделями считаются стали 30Х2ГСН2ВМ, 25Х2ГНТРА и другие. Для того, что бы повысить вяжущие свойства углеродсодержащих сплавов этого вида, в смесь компонентов добавляют молибден, никель.

Некоторые предметы, которые делают из стали машиностроительного вида, подвергаются упрочнению. Такие изделия подразделяются на следующие виды:

• без упрочнения;
• упрочнена верхняя оболочка;
• упрочнен весь представленный объем.

Единичные категории конструкционных сплавов машиностроения (08кп, 15кп, Ст.3). Из них производится в основном листовой прокат, без термообработки. Именно потому что листовой металл применяется для изготовления самых разных предметов путем изменения формы в охлажденном виде. К качеству пластичности требования выдвигаются наиболее высокие. Хорошая пластичность обязана небольшим количеством кремния и углерода. Помимо возможности отлично менять форму в охлажденном состоянии, модель такой материала отличается хорошим поведением при выполнении соединения методом сваривания.

Конструкционные металлические сплавы, принадлежащие к высококачественным, они проходят и термообработку:

• закалку верхнего покрытия, после чего выполняется (не всегда) отпуск металла;
• закалку, производимую стандартными способами. После нее также нужен отпуск (комбинирование видов термообработки стали дает возможность выполнить качественное соединение сваркой);
• нормализации среды.

Характеристики углеродистой конструкционной стали в строительстве

Для строительных нужд используются углеродистые конструкционные стали с небольшой концентрацией легирующих элементов, то есть хрома, марганца и кремния. Доля углерода в них не выходит за пределы 0,1–0,2 %. Данный металл отличается хорошей свариваемостью и другими важными при изготовлении строительных конструкций свойствами. К ним относятся:

• хорошая ковкость и жидкотекучесть;
• высокая твердость и ударная вязкость;
• оптимальные параметры относительного удлинения и прочности.

За счет производства изделий для строительной сферы из низколегированных, а не углеродистых сталей удается на треть сократить издержки на сырье. Легирование позволяет улучшить закаливаемость металла и повысить его предел текучести.

Чаще всего среди углеродистых конструкционных сталей используются такие марки, поставляемые в виде сортового проката, листов, полос и прутков:

• 14Г2;
• 15ХСНД;
• 10Г2С1;
• 18Г2;
• 18Г2С;
• 25Г2С;
• 35ГС.

Перечисленные стали хорошо свариваются и поддаются прочим способам обработки, поэтому подходят для изготовления строительных конструкций любого размера и конфигурации без значительных трудозатрат.

Применение пружинистых сталей (некоторые направления)

Соответствуют своему названию пружинистые стали. Примером являются варианты с маркировкой 50ХФА, 60С2ХФА, 70С2ХА, другие. Для них характерны отличные качества плотности, стоит отметить и прочность, надежность, упругость, вязкость материала, что также ценны при получении металла и последующей эксплуатации по назначению. В описываемые материалы относят низколегированные варианты, среднеуглеродистые с наличием углерода 0,6 – 0,8 %. Если их подвергать соединению методом использования сварки, могут появляться микроскопические отверстия даже продольного расположения. Используют их как сырье при производстве различных видов пружин, подходят они и для изготовления рессор разной сферы использования.

Есть категория конструкционных сталей, называемых улучшаемыми. В середине них содержится мартенсит аналогичный по форме с иглами. При рассмотрении плотного содержимого данных сплавов можно заметить исключение неметаллических добавок, карбидной ликвации, а также сетки. К основному преимуществу сталей низкой легированности и высокоуглеродистого типа с количеством С2 менее 1,05 % относится высокая степень твердости, другим фактором является процент износа.

Одной из особенностей, на которую следует обратить внимание – маркировка, начинающаяся с буквы «Ш» (ШХ5, ШХ 15СГ).

Ограничения по использованию углеродистых конструкционных сталей

Доля углерода фиксируется при помощи цифры в маркировке – от этого показателя зависит качество и область применения изделий из стали.

Если нужно добиться повышенной твердости, сопротивляемости износу элементов из углеродистой конструкционной стали, используют графитизацию, наклеп, наплавку.

Чтобы не ошибиться при выборе марки металла под конкретные задачи, важно понимать перечисленные выше свойства конструкционных сталей. Если вас не покидают сомнения, стоит посоветоваться со специалистами – они точно помогут подобрать подходящий материал.

Производственные методы и варианты деления по качеству

Получение углеродистых сталей основано на переработке чугуна и черного лома с уменьшением серы, фосфора и углерода до нужной концентрации. При этом используют различные технологии, которые отражаются на качестве производимого металла. В результате получают стальные сплавы следующих видов:

• высококачественные;
• качественные;
• обыкновенного качества.

Первые два типа углеродистых сталей производят с применением конвертеров, мартеновских и более современных электрических плавильных печей. Химический состав таких сталей, концентрация содержащихся примесей строго регулируется ГОСТами 1435–99 и 1050–88. Так, для качественных стальных сплавов можно использовать серу в количестве не более 0,04%, фосфор — не больше 0,035%, для высококачественных соответственно — менее 0,018 % и не больше 0,025 %. Углеродистые стали этих категорий имеют структуру повышенной чистоты.

Выплавку стальных сплавов обыкновенного качества осуществляют на базе кислородных конвертеров и мартенов, затем из них формируют большие слитки. В сравнении с предыдущими двумя категориями, углеродистые стали, обладающие обыкновенным качеством, характеризуются содержанием большого количества вредных примесей. Согласно ГОСТу 380–2005 серы в них содержится до 0,05%, фосфора — до 0,04%. Такой материал подвергают горячей, холодной прокатке с целью выпуска тонко-, толстолистового материала, широких металлических полос.