7.3. Конструкционные стали

Стали, из которых изготовляют детали машин и механизмов, строительные конструкции, газо- и нефтепроводы, оружие и военную технику, обрабатывающие станки, экскаваторы, морские суда, бытовую технику и многое другое, называются конструкционными. Они бывают низко- (0,1–0,25 %) и среднеуглеродистые (0,3–0,6 %). Легирующие элементы добавляют для увеличения прокаливаемости (Cr, Mn, Mo), снижения порога хладноломкости (Ni) и т. д.

Строительные стали для сварных металлоконструкций и арматурные для армирования железобетонных конструкций.

Свариваемые строительные стали предназначены для изготовления конструкций мостов, ферм, котлов, газо- и нефтепроводов и т. д. Отличительное технологическое свойство – хорошая свариваемость, которая зависит от содержания углерода (не более 0,25 %). Используют низколегированные, низкоуглеродистые стали: 09Г2С, 17ГС, 15ГФ, 14Г2АФД, 10ХСНД и др. Недостаток – низкая хладостойкость. Проблема повышения прочности и надежности при эксплуатации в Сибири и районах крайнего Севера решается с помощью применения низколегированных сталей (18Г2С, 25Г2С, 35ГС), упрочненных и неупрочненных.

Арматурные строительные стали предназначены для изготовления: ненапряженных железобетонных конструкций – стали обыкновенного качества (Ст3, Ст5); предварительно напряженных – средне- и высокоуглеродистые стали в горячекатаном состоянии, упрочненные.

Автоматные стали специально созданы для изготовления деталей в массовом производстве (например, крепежные изделия). Изготовление деталей должно быть высокотехнологичным, производительным, с высокими требованиями по размерам и чистоте поверхности. От материала не требуются высокие механические свойства. Стали содержат (0,08–0,45 %) углерода, повышенное количество серы (0,1–0,3 %), фосфора (0,05 %), марганца (0,7–1,0 %), а также селен, кальций, свинец. Стали маркируют буквой А и цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30. Присутствие свинца (0,15–0,3 %) обозначается буквой С (АС11, АС14), кальция – буквой Ц (АЦ45Х, АЦ40Г2), селена – буквой Е (А35Е).

Сера находится в виде неметаллических включений – сульфидов, которые нарушают сплошность металла в зоне резания и способствуют получению легко ломающейся стружки. Фосфор повышает твердость феррита, что также способствует образованию хрупкой стружки, уменьшению налипания на режущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой поверхности.

В легированных автоматных сталях повышенной обрабатываемости включения свинца, селена, теллура и кальция играют роль смазки и препятствуют схватыванию инструмента с материалом заготовки. Это облегчает образование и отделение стружки. Для увеличения скорости резания свинец заменяют селеном.

Для получения высоких механических свойств автоматные стали, дополнительно легируют марганцем (чтобы не проявлялась красноломкость), кремнием, хромом, молибденом: АС30ХМ, АС38ХГМ.

Цементуемые стали. Для изготовления деталей, подвергаемых цементации или нитроцементации, используются малоуглеродистые (до 0,25 % С) низко- и среднелегированные стали. Легирование хромом (стали 15Х, 20Х) позволяет применять после цементации закалку в масло вместо закалки в воду. Это уменьшает коробление и образование трещин. Увеличение степени легирования хромом, никелем, молибденом, вольфрамом увеличивает прокаливаемость крупногабаритных изделий (стали 20ХН, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 30ХМА).

Улучшаемые стали – основным методом упрочнения изделий по всему сечению является улучшение (закалка с высоким отпуском). Первая группа – углеродистые стали (35, 40, 45, 50), которые прокаливаются насквозь при диаметре до 12 мм. Они применяются для изготовления изделий малых сечений. Вторая группа – хромистые стали (30Х, 40Х), у которых критический диаметр при закалке в масле составляет 15–30 мм. В третью группу входят стали типа 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых критический диаметр 30–60 мм. Четвертая группа – стали типа 40ХН, 40ХНМ – 35–70 мм. Пятая группа – комплексно легированные стали, например, 38ХН3МФА – до 200 мм.

Азотируемые стали относятся к группе улучшаемых сталей, поскольку в процессе азотирования они подвергаются нагреву до температур, соответствующих высокому отпуску.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, при достаточной пластичности и вязкости. Стали содержат 0,5–0,75 % углерода и подвергаются термической обработке – закалке и среднему отпуску – или деформационному упрочнению (наклепу). Углеродистые стали 65Г, 70, 75 и У10 применяют для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих невысокие напряжения.

Стали для пружин и рессор также дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (1,2 %), хромом (1,2 %), ванадием (0,25 %), вольфрамом (1,2 %) и никелем (1,7 %). Происходит измельчение зерна и увеличение сопротивления стали малым пластическим деформациям.

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70СЗА, поскольку кремний повышает прокаливаемость. Стали имеют высокие пределы текучести и упругости, однако подвергаются обезуглероживанию. Для повышения прокаливаемости и торможения роста зерна при нагреве в кремнистые стали вводят хром, ванадий, вольфрам и никель. Лучшими технологическими свойствами обладает сталь 50ХФА, используемая для изготовления автомобильных рессор. Для повышения прокаливаемости этой стали вводят марганец (50ХГФА). Стали типа 50ХА, 50ХФА, 55ХГР обладают повышенной усталостной прочностью при рабочих температурах до 300 С.

Для изготовления пружин используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

Стали для шариковых и роликовых подшипников. Основной причиной выхода из строя подшипников является контактная усталость металла – выкрашивание частиц и отслаивание тонких пластин (шелушение). На поверхности возникают дефекты в виде мелких «язв». Стали для подшипников должны обладать высокой твердостью, прочностью. Это достигается повышением качества металла: очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец малых сечений используют шарикоподшипниковую (Ш) хромистую (Х) сталь ШХ15 (около 1 % углерода и 1,5 % хрома), больших сечений – сталь повышенной прокаливаемости – ШХ15СГ. Для повышения прокаливаемости добавляют марганец (1 %) и кремний (0,5 %). Отжиг необходим для улучшения обрабатываемости резанием и штампуемости деталей в холодном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки в масле от 850 С и низкотемпературного отпуска при 150–170 °С в течение 1–2 часов. Достигается твердость не ниже 62 HRC. Подшипники, работающие в агрессивных средах, изготавливают из нержавеющих сталей с высоким содержанием хрома (95Х18, 110Х18).