Конструкционные стали обыкновенного качества
В производстве машин, станков и предметов широкого потребления в энергетике, на транспорте и в строительной индустрии широко используется горячий стальной прокат в виде прутков, полос, труб, уголков и других фасонных профилей.
Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях – сп, в полуспокойных – пс, кипящих – кп, а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. В их составе разное содержание кремния: спокойные – 0,12-0,30, полуспокойные – 0,05-0,17, кипящие меньше 0,07, например Ст3сп, БСт3пс или ВСт3сп5 (в конце 5-я категория). Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1-Ст6, кипящими – Ст1-Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.
Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами (табл. 3.2), без указания химического состава.
Таблица 3.2
Механические свойства углеродистых сталей обыкновенного
качества группы А (образцы толщиной до 20 мм)
| Сталь | σв, МПа | σ0,2, кгс/мм2 | σ, % | Сталь | σв, МПа | σ0,2, кгс/мм2 | σ, % |
| не менее | не менее | ||||||
| Ст.0 | >310 | – | Ст.4 | 420-540 | 240-270 | ||
| Ст.1 | 320-420 | – | Ст.5 | 500-640 | 260-290 | ||
| Ст.2 | 340-440 | 200-230 | Ст.6 | ||||
| Ст.3 | 380-490 | 210-250 |
Примечание. Механические свойства приведены для спокойных и полуспокойных сталей. В сталях Ст1кп значение σв, на 10-20 МПа и σ на 10 МПа меньше, а значение σ на 1% больше, чем в спокойных и полуспокойных сталях того же номера.
Из табл. 3.2. следует, что с увеличением номера марки прочность увеличивается, а пластичность стали соответственно уменьшается.
Стали группы А используются в состоянии поставки для изделий изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.
Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.
Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций). В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными на участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны ведения о химическом составе. Механические свойства на растяжение для каждой марки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А (табл. 3.2), а химический состав – нормам для тех же номеров марок группы Б (табл. 3.3). Например, сталь ВСт4сп имеет механические свойства на растяжение, аналогичные стали Ст4сп, а химический состав одинаковый со сталью БСт4сп.
Таблица 3.3
Химический состав (%) углеродистой стали
обыкновенного качества группы Б
| Сталь | С | Mn | Si в сталях | S | P | ||
| кп | пс | сп | не более | ||||
| БСт0 | < 0,23 | – | – | – | – | 0,06 | 0,07 |
| БСт1 | 0,06-0,12 | 0,25-0,5 | 0,05 | 0,05-0,17 | 0,12-0,3 | 0,05 | 0,04 |
| БСт2 | 0,09-0,15 | 0,25-0,5 | 0,05 | 0,05-0,17 | 0,12-0,3 | 0,05 | 0,04 |
| БСт3 | 0,14-0,22 | 0,30-0,65 | 0,07 | 0,05-0,17 | 0,12-0,3 | 0,05 | 0,04 |
| БСт4 | 0,18-0,27 | 0,40-0,70 | 0,07 | 0,05-0,17 | 0,12-0,3 | 0,05 | 0,04 |
| БСт5 | 0,28-0,37 | 0,50-0,80 | – | 0,05-0,17 | 0,15-0,35 | 0,05 | 0,04 |
| БСт6 | 0,38-0,49 | 0,50-0,80 | – | 0,05-0,17 | 0,15-0,35 | 0,05 | 0,04 |
Примечание. 1. В сталях БСт1-БСт6 допускается не более 0,3% Cr; 0,3% Ni; 0,3% Cu; 0,08% As; 0,08% N. 2. В сталях, выплавленных из керченских руд, допускается до 0,15% As и 0,05% P.
Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью.
В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-88. Содержание серы и фосфора в них допускается в пределах 0,03-0,04% каждого из элементов. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05,08, 10, 15, 20, …, 75,80,85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20 содержит в среднем 0,20% С, сталь 75 – 0,75% С и т.д.
К углеродистым сталям также относят стали с повышенным содержанием марганца (0,7-1,0%) марок 15Г, 20Г, 25Г, …, 70 Г, имеющих повышенную прокаливаемость (критический диаметр до 25-30 мм). В табл. 3.4. приведены гарантируемые механические свойства после нормализации углеродистых качественных сталей.
Данные в табл. 3.4 служат для контроля металлургического качества отдельных плавок, а механические свойства изделий будут определяться соответствующими режимами термической обработки, зависящими от размера и сечения деталей.
Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие – с индексом соответственно пс и кп. В табл. 3.4 приведены данные химического состава и свойств спокойных сталей. Кипящие стали производят марок 05кп, 08кп, 10 кп, 15 кп, 20 кп, полуспокойные – 08пс, 10 пс, 15 пс, 20 пс.
Таблица 3.4
Химический состав и механические свойства
углеродистых качественных сталей
| Марка стали | Содержание углерода, % | Хром, не более | Механические свойства, не менее | |||||
| σв, Мпа | στ, Мпа | δ, % | Ψ,% | KCU+20 МДж/м2 | НВ после отжига или высокого отпуска, не более | |||
| 0,05-0,01 | 0,10 | – | ||||||
| 0,07-0,14 | 0,15 | – | ||||||
| 0,12-0,19 | 0,25 | – | ||||||
| 0,17-0,24 | 0,25 | – | ||||||
| 0,27-0,35 | 0,25 | 0,8 | ||||||
| 0,37-0,45 | 0,25 | 0,6 | ||||||
| 0,47-0,55 | 0,25 | 0,4 | ||||||
| 0,57-0,65 | 0,25 | – | ||||||
| 0,67-0,75 | 0,25 | – |
Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а соответственно и термической обработки можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств.
К чугунам относят сплавы, содержащие более 2,14% С. Они могут быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом. Чугуны с такой структурой называют белыми. Поэтому производятся для последующей переделки.
В технике чугуны применяют широко, прежде всего, за их превосходные литейные свойства. Цементит легко диссоциирует с образованием графита. Присутствие в структуре графита делает чугун серым и, что крайне важно, технологичным при обработке резанием. Графит может быть пластичным, хлопьевидным и глобулярным. В определении прочностных свойств серого чугуна форма графитных включений и их размеры играют решающее значение. Так, пластинчатый графит, образуя надрезы в металлической основе, резко снижает прочность и пластичность. Только поэтому получаемый литьем обычный серый чугун с пластинчатым графитом очень хрупок.
Ковкий чугун, получаемый длительным отжигом отливок из белого чугуна, имеет хлопьевидный графит, обеспечивающий ему достаточно высокую пластичность (табл. 3.5).
В результате модифицирования удается получить отливки чугуна с глобулярным графитом. Такой чугун называют высокопрочным. Он соединяет в себе присущую чугунам технологичность в литье и обработке резанием с прочностными свойствами стали, успешно заменяя стальные отливки, поковки и цветные сплавы.
Таблица 3.5
Химический состав и механические свойства некоторых марок чугунов
| Марка чугуна | σв, кгс/мм2 | σ0,2, кгс/мм2 | σ,% | σизг, кгс/мм2 | Стрела прогиба, мм | аn, кгм/см2 | НВ |
| СЧ 12-28 | – | – | – | 143-229 | |||
| СЧ 44-64 | – | – | – | 229-289 | |||
| КЧ 37-12 | – | – | – | – | |||
| КЧ 63-2 | – | – | – | – | |||
| ВЧ 33-17 | – | – | 140-170 | ||||
| ВЧ 120-4 | – | – | 302-369 |
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и ее количества, формы и размеров графитных включений (пустот).
Марка серого чугуна состоит из букв Сч (серый чугун) и цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении (кгс/мм2). Показателями механических свойств серых чугунов в соответствии с ГОСТ 1412-85 является прочность при статическом растяжении (табл. 3.6).
Таблица 3.6
Механические свойства серых чугунов
| Чугун | НВ | Структура металлической основы | |
| Сч15 | 163-229 | Феррит | |
| Сч25 | 180-250 | Феррит + перлит | |
| Сч40 | 207-285 | Перлит | |
| Сч45 | 229-289 | Перлит |
Графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от деталей в несколько граммов до 100 т и более.
Ферритные серые чугуны марки Сч10, Сч15 используются для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и т.д.
Ферритно-перлитные серые чугуны марки Сч20, Сч25 применяются для деталей, работающих при повышенных статистических и динамических нагрузках: картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины станков и другие отливки разного назначения.
Перлитный чугун применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны. Такие чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок – ферросилиция (0,3-0,6% от массы шихты). К таким чугунам относятся СЧ40 и СЧ45, которые обладают более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений. Эти марки чугунов применяются для корпусов насосов, компрессоров и гидроприводов.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны, которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.