Конструкційні сталі

PAGE 4

Тема 10

Конструкційні сталі(2 год)

План

1. Класифікація сталей. Домішки в сталях і їхній вплив на її властивості і структуру.

2. Вуглецеві сталі, класифікація, маркування, властивості, застосування, термообробка для забезпечення необхідних властивостей.

3. Леговані сталі, класифікація, маркування, властивості, застосування. Вплив легувальних елементів на перетворення в сталях. Переваги і недоліки легованих сталей порівняно з вуглецевими. Особливості термічної обробки легованих конструкційних сталей.

– 1–

Класифікують за ознаками: призначенням, структурою, способом виробництва, ступенем розкислення, якістю.

За призначенням: конструкційні з масовою часткою С до 0,65% й інструментальні з часткою С від 0,65 до 1,35%.

За структурою: доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні.

За способом виробництва: в кисневих конверторах, в електропечах, в мартенівських печах.

З ступенем розкислення: спокійні ( 0,15.. .0,30% Si), напівспокійні і киплячі (до 0,05% Si). Відрізняються пластичністю, найбільша в киплячих.

За якістю: звичайної якості, якісні й високоякісні. Критерієм якості є масові частки фосфору й сірки.

Групи домішок:

1. Постійні: Мn, Sі, А1 при виробництві сталі, використовуються в якості розкислювачів та Р і S, що потрапляють у сталь із руди.

2. Приховані – гази: 02, Н2, і N розчинені у фериті, або в хімічних сполуках (нітридах, оксидах), або у вільному стані в пустотах.

Випадкові – будь-які елементи, які потрапили з металобрухтом або чавуном.
Спеціальні – вводяться з метою зміни будови і властивостей (легувальні елементи).

Сталі, в які вводять легувальні елементи для одержання необхідних властивостей, називаються легованими.

Mn підвищує міцність, не знижуючи пластичності, збільшує зносостійкість.

Сірка входить до складу хімічної сполуки FeS. Низька температура плавлення сполуки спричинює червоноламкість – схильність сталі до крихкого руйнування під час гарячої обробки тиском.

Si знижує здатність до холодної пластичної деформації.

Вміст сірки обмежується до 0,03 5.. .0,06%.

Фосфор зменшує пластичність і ударну в'язкість. Зменшення ударної в'язкості стає причиною холодноламкості, схильності сталі до крихкого руйнування при низьких температурах.

Домішки проникнення (азот, кисень), концентруючись по границях зерен у вигляді нітридів і оксидів, підвищують поріг холодноламкості, знижують опір крихкому руйнуванню і границю витривалості сталі.

Водень викликає в сталі крихкість. Поглинаючись при виплавці сталі, призводить до утворення флокенів. Флокени – тонкі тріщини.

–2–

Вуглецевими сталями називаються залізовуглецеві сплави, в яких головну роль у зміні властивостей відіграє вуглець.

Вуглецеві сталі звичайної якості, якісні й інструментальні.

Від ступеня розкислення поділяють на киплячі (кп), спокійні (сп) і напівспокійні (пс).

Спокійні містять малу кількість FеО. Киплячі погано розкислені. Незважаючи на присутність в зливку великої кількості газових пухирців і раковин, відрізняються пластичністю (неокислені газові пухирці в них заварюються при прокатці), але гірше зварюються, схильні до старіння і холодноламкості порівняно з розкисленими сталями. Напівспокійні сталі (пс) середнє положення між спокійними і киплячими.

Сталі звичайної якості до 0,06% S і до 0,07% Р.

За призначенням і гарантованих виробником властивостей групи: А, Б і В.

Сталі всіх груп за нормованими показниками поділяють на категорії. Категорії визначають характеристики, які випробовують у сталі. Група А - 1, 2, 3; Б -1, 2; В - 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Марки: група А: Ст0 – Ст6; група Б: БСт0 – БСт6; група В: ВСт1 – ВСт5.

Літери Ст в марці "сталь", цифри 0…6 - умовний номер марки. Групу сталі А не вказуєть. Сталь із номерами марок 1, 2, 3, 4 за ступенем розкисленності виготовляють киплячою, напівспокійною і спокійною; сталь з номерами 5 і 6 - напівспокійною і спокійною.

Ступінь розкисленності після номера марки індексиами: кп, сп, пс.

Для позначення категорії сталі в кінці марки добавляють номер категорії. Першу категорію в позначенні марки не вказують.

Наприклад, ВСт4пс2: сталь вуглецева звичайної якості, групи В, напівспокійна, другої категорії.

Для позначення напівспокійної сталі з підвищеним вмістом марганцю в марці після номера літеру Г (СтЗГпс).

Сталі групи А поставляються з гарантованими механічними властивостями (в, т, ). Термічна обробка не рекомендується, мають значні коливання в хімічному складі.

Сталі групи Б поставляються за нормованим хімічним
складом.

Сталі групи В поставляються з нормованими механічними властивостями і хімічним складом. Механічні властивості групи В, як у групи А.

Якщо виготовлення деталі пов'язане з тепловим впливом (гаряче кування, термообробка), то для режиму обробки необхідно знати хімічний склад сталі, тому вибирають групу Б.

Для виготовлення виробів методом зварювання потрібно знати склад сталі і властивості, тому вибирають групу В.

Призначення сталей звичайної якості: від будівельних і малонавантажених конструкцій невідповідального призначення (Ст1, Ст0, БСт0) до середньонавантажених валів, кріпильних деталей (Ст5, ВСт5, СТ6 ).

Якісні вуглецеві сталі S< 0,04%, P < 0,035.. .0,04%. маркують двозначними цифрами –середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Наприклад, 08, 10, 15, 20 … 85 (0,08% С, 0,10% С, 0,15% С, 0,20...0,85% С).

Види: 1) низьковуглецеві (< 0,3% С) (високої пластичності і малої міцності, марки 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г...25Г). Для малонавантажених деталей (осі, втулки, шестерні), які виготовляються штампуванням, зварюванням, обробкою різанням. Для холодного штампування сталі 08кп, 08пс. Для виготовлення малонавантажених цементованих деталей (шестерні, вали і важелі перемикання передач), термообробка (цементація з гартуванням і низьким відпусканням);

2)середньовуглецеві (0,3...0,55% С) більш міцні і менш пластичні. Для деталей (шпинделі, штоки, плунжери, шатуни). Деталі піддаються термічній обробці (покращенню, нормалізації, поверхневому гартуванню і низькому відпусканню;

високовуглецеві (0,6...0,85% С) для деталей, які працюють при високих статичних і вібраційних навантаженнях (пружини, ресори), мають високу гарячу пластичність. Деталі піддаються об'ємному і поверхневому гартуванню з відпусканням, нормалізацією.

Недоліками вуглецевих сталей є мала прогартовуваність і схильність до росту аустенітного зерна (чутливість до перегріву при термічній обробці).

Вуглецеві інструментальні сталі

Якісні і високоякісні вуглецю від 0,65 до 1,35%, масова частка фосфору не більше 0,030% і сірки 0,028%, а у високоякісних - не більше 0,025% фосфору й 0,018% сірки.

Маркування літерами і цифрами. У –сталь вуглецева, цифра - середню масову частку вуглецю у десятих частках відсотка, Г - підвищену концентрацію марганцю. Для групи високоякісних сталей в кінці літера А.

За призначенням: вуглецеві інструментальні сталі для роботи при ударних навантаженнях і для статично навантаженого інструменту.

У7, У7А виготовляють інструменти для обробки деревини (сокири, стамески, долота) та ударні інструменти (молотки, викрутки). Для виготовлення деревообробних інструментів (фрез, пил, свердел) використовують сталі У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А.

У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А металообробний інструмент, що працює при невисоких температурах (мітчики, плашки).

У13 має твердість (НК.С 66.. .67) і зносостійкість, виготовляють напилки.

– 3–

Легування ( від лат. ligo – зв’язую, з’єдную) – введення інших хімічних елементів.

Леговані сталі — це сплави на основі заліза, вуглецю і легувальних елементів.

Легувальні елементи: Сr, Ni, Мо, W, Со, Сu, Ті, Zr, Nb, Аl та Мn і Sі, якщо їх масові частки перевищують 0,8 і 0,5 %.

Вплив легувальних елементів на властивості сталей

Легувальні елементи утворюють із залізом тверді розчини заміщення, впливаючи на критичні температури, при яких відбуваються поліморфні перетворення.

Ni, Мn і Со розширюють зону існування -заліза, знижують температуру початку мартенситного перетворення нижче за кімнатну, в результаті у структурі зберігається аустеніт, а сталі називаються аустенітними.

Молібден, титан, ніобій, вольфрам і алюміній сприяють утворенню дрібнозернистої структури.

Класифікація і маркування

За сумарною кількістю ЛЕ: низьколеговані (до 2,5%), середньолеговані (2,5…10%) і високолеговані (понад 10%).

За призначенням: конструкційні, інструментальні і з особливими властивостями.

Літери в маркуванні: А – азот; Б – ніобій; В – вольфрам; Г – марганець; Д – мідь; К – кобальт; М – молібден; Н – нікель; П – фосфор; Р – бор; С – кремній; Т – титан; Ф – ванадій; Х – хром; Ц – цирконій; Ю – алюміній. Числа – на початку вміст вуглецю (в конструкційних у сотих частках відсотка, в інструментальних – в десятих частках відсотка), а після літер – легуючих елементів. Якщо за літерою відсутня цифра, то вміст елемента не більше 1%. Якщо вміст сірки і фосфору менший 0,03%, в кінці літеру А.

Конструкційні леговані сталі

1) Сталі для цементації 0,1...0,3% вуглецю і легуючі елементи, що підвищують межу текучості і подрібнюють зерно. Використовують після гартування і низького відпуску (зубчасті колеса).

Хромисті сталі 15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХР з ванадієм і бором для виготовлення деталей діаметром не більше 25 мм, що працюють при середніх навантаженнях.

Хромонікелеві сталі 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20Х2Н4А для великих деталей, 18Х2Н4МА – для деталей з великими статичними і ударними навантаженнями.

2) Поліпшені конструкційні сталі 0,3...0,5% С, термічне зміцнення (гартування з високим відпуском) до структури сорбіту, для деталей, що працюють при високих статичних і циклічних навантаженнях та при роботі з ударами (вали, штоки, шатуни).

Хромомарганцевокремнисті сталі 30ХГСА, 35ХГСА – високі механічні і технологічні властивості: добре зварюються, штампуються, прогартовуються (при діаметрі до 30...40 мм), обробляються різанням. Виготовляють вали, зварні конструкції.

Хромонікелеві сталі 40ХН, 45ХН високі механічні властивості у деталях діаметром 40...50 мм, при введенні молібдену або вольфраму (40ХНМА, 38ХНЗМА, 18Х2Н4ВА) – до 100 мм. Виготовляють вали і ротори турбін, вали редукторів. Недолік схильність до утворення флокенів (внутрішніх тріщин).

3) Ресорно-пружинні 0,5...0,7% С, вводять марганець, кремній, ванадій і хром, піддають гартуванню і середньому відпуску. 55С2, 60С2, 70СЗА виготовляють пружини і ресори товщиною до 18 мм.

Для ресор легкових автомобілів, пружин клапанів, які працюють при температурах до 300°С, 50ХГ, 55ХГР, 50ХФА, 50ХГФА.

Для підшипників кочення підшипникові сталі. ШХ, числом –вміст хрому в десятих частках відсотка і літерами легуючих елементів, С 0,95...1,05%. ШХ6, ШХ9, ШХ15 для підшипників з розміром перерізу 10...20 мм, ШХ15СГ, ШХ20СГ – для підшипників з більшим перерізом, прогартовуються на глибину понад 80 мм.

Інструментальні леговані сталі бувають таких типів: нетеплостійкі; напівтеплостійкі і швидкорізальні. Нетеплостійкі: 9ХГС, ХГС, напівтеплостійкі: Х12М, Х18МФ, швидкорізальні: Р18 (18% W), Р6М5.

Сталі та сплави з особливими властивостями

Особливі властивості: корозійна стійкість, жароміцність, жаростійкість, електричні властивості.

Нержавіючі сталі: хромисті з феритною або мартенситною структурою і хромонікелеві – аустенітні. При введенні більше 12% хрому сталь не взаємодіє з атмосферою, прісною водою, кислотами, лугами і солями. 12X13 і 20X13 для предметів домашнього вжитку, гартують в оливі 1000...1100оС і відпускають при 700...775°С з метою укрупнення карбідів. 30X13 і 40X13 для голок карбюраторів, пружин, хірургічного інструменту, гартування при 1000...1050°С в оливі і низьке відпускання – мартенситна структура. 12X17 у харчовій промисловості і для виготовлення посуду.

Жароміцні сталі здатні витримувати механічні навантаження при високих температурах. Для котлів, газових турбін, реактивних двигунів.

Для роботи нижче 700...950°С, основою сплаву залізо або кобальт, а при високих (до 1500°С) молібден та інші тугоплавкі метали. 16М, 12Х1МФ труби паронагрівачів, арматура парових котлів. 15X11МФ і 40Х9С2 лопатки турбін, клапани двигунів.

Для підвищення жаростійкості вводять хром, алюміній або кремній. При 5,..8% хрому жаростійкість зростає до 700...750°С, при 15...17% – до 950...1000°С, до 25% сталь не окислюється при 1100°С.

Наприклад, 12Х18Н9 жаростійка до 850°С, 15Х25Т – до 1050°С, а ливарна 15Х25Н9С2Л — до 1150°С.

З особливими електричними властивостями: магнітні сталі і сталі з високим електричним опором. Бувають магнітотверді, магнітом'які.

Магнітотверді – для невеликих постійних магнітів (вуглецеві сталі У10, У12), для великих – сталі ЕХЗ, Е –сталь магнітотверда, літери і числа – назву і вміст легуючого елемента.

Магнітом'які – для магнітопроводів силових трансформаторів, статорів і роторів електродвигунів.

Конструкційні сталі