Углеродистые стали

 

Среди всех выплавляемых сталей доля углеродистых составляет около 80%. Это связано с их невысокой стоимостью, удовлетворительным уровнем механических свойств, хорошей обрабатываемостью давлением и резанием. При упрочнении закалкой углеродистые стали дают небольшую прокаливаемость, что ограничивает размер изготовляемых из них ответственных деталей.

В соответствии с механическими, технологическими качествами и назначением выпускаются углеродистые стали обыкновенного качества, качественные, автоматные и инструментальные.

У г л е р о д и с т ы е с т а л и о б ы к н о в е н н о г о к а ч е с т в а выплавляются по металлургической технологии общего назначения, что обусловливает их наименьшую стоимость и повышенное допустимое содержание вредных примесей, ограничивающее показатели их механических свойств.

Маркировка сталей предусматривает сочетание букв "Ст" с цифрой от 0 до 6, обозначающей номер марки, пропорционально которому возрастает содержание углерода, увеличиваются показатели прочности, снижается пластичность.

Степень раскисления (связывания кислорода) указывается буквенным сочетанием, расположенным после марки стали: "сп" – спокойная сталь с наилучшей прочностью, полностью раскисленная добавлением марганца, кремния, алюминия, застывающая спокойно без газовыделения; "кп" –кипящая сталь с пониженной прочностью, которая раскисляется только марганцем с выделением пузырьков СО, похожим на кипение, и получением однородной, хорошо деформируемой структуры; "пс" – полуспокойная сталь, занимающая по своим свойствам промежуточное положение между спокойной и кипящей.

Концентрация углерода и показатели механических свойств в сталях обыкновенного качества находятся в определенных пределах, что позволяет применять для них горячие виды обработки, включая сварку и термическую упрочняющую обработку. С увеличением цифры в марках сталей от Ст0 до Ст6 содержание углерода и предел прочности возрастают соответственно от значений не более 0,23% и s_в не менее 310 МПа до показателей 0,38…0,49% и s_в =600МПа. Приведенные значения прочности относятся к спокойным и полуспокойным сталям, у кипящих сталей этот показатель меньше на 10%.

Стали обыкновенного качества используются чаще всего для получения мало- и средненагруженных изделий строительного и машиностроительного назначения, реже – для деталей приборостроения. Без применения горячей обработки из них изготовляют шпонки, штифты, винты, болты, гайки, шайбы, оси, ролики, панели, кожухи. С использованием горячей обработки изготовляются более ответственные детали типа валиков, рычагов, тяг, штоков, шестерен, втулок, крышек, корпусов.

У г л е р о д и с т ы е к а ч е с т в е н н ы е с т а л и выплавляются по специализированной металлургической технологии, обеспечивающей снижение количества вредных примесей и улучшение механических характеристик. При этом в стали гарантируются более точный химический состав и механические свойства.

Маркировка сталей производится двумя цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: стали 05, 08, 10, 15 и так далее через каждые 5 сотых до стали 85 включительно. Спокойные стали в маркировке не имеют индекса, кипящими выпускаются стали 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойными – 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

С повышением содержания углерода стали получают увеличение прочности и упругости при снижении пластичности, что позволяет разделить их на несколько основных групп.

1. Стали 05, 08, 10 с малой прочностью до значения s_В=340 МПа являются высокопластичными и применяются для изготовления разнообразных изделий типа колец, крышек, кожухов, тяг, рычагов, осей, каркасов методами холодной штамповки с применением сварки.

2. Стали 15, 20, 25 со средней прочностью до величины s_В=460 МПа имеют хорошую пластичность и служат для изготовления втулок, кулачков, эксцентриков, штуцеров, валов, шестерен методами штамповки и сварки как без термической обработки, так и с упрочняющей поверхностной термической обработкой.

3. Стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 с повышенным пределом прочности
s_В=660 МПа и небольшой пластичностью используется для изготовления ответственных деталей типа пальцев, кулачковых валов, ходовых винтов, зубчатых реек, шестерен, звездочек с применением упрочняющей термической обработки.

4. Стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 с высокой прочностью до значения s_В=1150 МПа имеют малую пластичность и после термической обработки приобретают сочетание прочности и упругости. Это позволяет изготовлять их таких сталей детали типа упругих элементов: пружины, кольца, торсионы, пластины.

А в т о м а т н ы е с т а л и отличаются гарантированным содержанием серы, фосфора, свинца, селена, кальция. Этим достигается облегченное отделение и измельчение стружки, что имеет наибольшее значение в процессе обработки сталей с высокими скоростями резания на станках-автоматах при изготовлении деталей массового потребления. Данные особенности автоматных сталей характеризуют их хорошую обрабатываемость резанием, вследствие чего их относят к материалам с высокими технологическими свойствами.

Маркировка сталей включает букву А, а также обозначение свинца – С, селена – Е, кальция – Ц с последующим двузначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Сернистые автоматные стали А11, А12, А20, А40Г содержат до 0,3% S и до 0,15% P, а также для снижения красноломкости до 1,55% Mn. Образующиеся сульфиды марганца оказывают смазывающее действие, а также вместе с растворенным в феррите фосфором придают стали хрупкость, улучшающую процессы отделения и ломки стружки. Эти стали обладают невысокими механическими свойствами, поэтому из них изготовляют неответственные крепежные изделия и малонагруженные детали, требующие большой точности размеров и высокого качества поверхности.

Свинцовосодержащие автоматные стали АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2 наряду с серой и марганцем имеют до 0,35% Pb. Структурно свободные частицы свинца вместе с сульфидами усиливают измельчение стружки, а, расплавляясь при нагреве на поверхности резания, также играют роль смазки, что повышает допустимую скорость резания на 40%. Свинец не уменьшает прочности, поэтому такие стали используются для получения ответственных деталей.

Селеносодержащие автоматные стали А35Е, А45Е также содержат серу и до 0,1% Se. Получающиеся селениды и сульфиды окружают твердые структурные оксиды, чем предотвращают их истирающее воздействие на режущий инструмент. Это позволяет значительно увеличить допустимую скорость резания и вдвое снизить износ инструмента.

Кальцийсодержащие автоматные стали АЦ20, АЦ30 имеют до 0,008% Ca и содержат тугоплавкие кальциевые соединения. Эти стали предназначены для изготовления ответственных термоупрочненных деталей, обрабатываемых с высокими скоростями резания, при которых кальциевые соединения размягчаются и оказывают смазывающее воздействие.

И н с т р у м е н т а л ь н ы е у г л е р о д и с т ы е стали содержат от 0,7%С до 1,3%С и относятся к высокоуглеродистым. После упрочняющей термообработки они приобретают большую твердость, износостойкость и режущую стойкость, что соответствует требованиям к материалам для режущего инструмента.

Маркировка качественных инструментальных сталей содержит букву У и число, показывающее концентрацию углерода в десятых долях процента, при наличии вредных примесей серы, а также фосфора в наибольшем допустимом количестве 0,05%. Из-за этого твердость и другие свойства сталей сохраняются при нагреве до температуры не более 200⁰С, т.е. теплостойкость таких сталей невелика.

Теплостойкость материала характеризует его способность сохранять необходимую твердость при повышении температуры и представляет одно из важнейших свойств инструментальных сталей и сплавов. Малая теплостойкость ограничивает применение режущего инструмента из качественных углеродистых инструментальных сталей невысокой допускаемой скоростью резания. При выплавке сталей с уменьшенным содержанием серы и фосфора до 0,025% теплостойкость повышается до величины 240⁰С, инструмент из них применяется более широко. Такие стали относятся к высококачественным инструментальным углеродистым, в конце их маркировки ставится буква А.

Стали У7 (У7А), У8 (У8А), У9 (У9А) за счет упрочняющей термообработки приобретают повышенную вязкость, их применяют для изготовления слесарного инструмента, испытывающего ударные нагрузки: зубила, молотки, кернеры, бородки, отвертки.

Стали У10(У10А), У11(У11А), У12(У12А), У13(У13А) обладают повышенной твердостью и износостойкостью, что позволяет применять их для изготовления режущего инструмента: напильников, пил, сверл, зенкеров, метчиков, хирургического инструмента. Кроме того, из этих сталей изготовляют измерительные скобы и калибры, малонагруженные матрицы и пуансоны для холодной штамповки, а также детали, испытывающие контактные давления, типа упорных шайб, колец, наконечников.