Углеродистые качественные стали

В машиностроении эти стали используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. Они имеют более низкое содержание вредных приме­сей и неметаллических включений, чем стали обыкновенного качества. В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механи­ческими свойствами.

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 относят также стали с повышенным содержани­ем марганца (0,7—1,0%) марок 15Г, 20Г, 25Г,..., 70Г, имеющих повышен­ную прокаливаемость (критический диаметр до 25—30 мм). В табл. 4.3 при­ведены гарантируемые механические свойства после нормализации углеро­дистых качественных сталей.

Таблица 4.3. Химический состав и механические свойства углеродистых

качественных сталей

Марка стали	Содержание углерода, %	Хром, не более	Механические свойства, не менее
о„МПа	стт, МПа	6,%	Vj/,%	КС1Г20, МДж/м2	НВ после от­жига или вы­сокого отпус­ка, не более
08 10 15 20 3040 50 60 70	0,05—0,01 0,07—0,14 0,12—0,19 0,17—0,24 0,27—0,35 0,37—0,45 0,47—0,55 0,57—0,65 0,67—0,75	0,100,15 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25	340380 420 500 580 640 690730	200 210230 250 300 340 380 410430	33 31 27 25 21 14 12 9	55 55 55 50 45 40 35 30	0,8 0,6 0,4	131 143 149 163 179217 241 255269

Данные в табл. 4.3 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 маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексом соответственно «пс» и «кп». В табл. 4.3 приведены данные химического состава и свойств спокойных сталей. Кипящие стали произ­водят марок 05кп, 08кп, Юкп, 15кп, 20кп, полуспокойные — 08пс, 10пс,15пс, 20пс.

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.

Низкоуглеродистые стали 05кп, 08кп, Юкп, 15кп, 20кп отличаются ма­лой прочностью и высокой пластичностью в холодном состоянии. Эти стали в основном производят в виде тонкого листа и используют после отжига или нормализации для холодной штамповки с глубокой вытяжкой. Они легко штампуются из-за малого содержания углерода и незначительного количест­ва кремния, что и делает их очень мягкими. Их можно использовать в авто­мобилестроении для изготовления деталей сложной формы. Глубокая вы­тяжка из листа этих сталей применяется при изготовлении консервных ба­нок, эмалированной посуды и других промышленных изделий.

Спокойные стали 08, 10 применяют в отожженном состоянии для конст­рукций невысокой прочности — емкости, трубы и т. д.

Стали 10, 15, 20 и 25 также относятся к низкоуглеродистым сталям, они пластичны, хорошо свариваются и штампуются. В нормализованном состоя­нии в основном их используют для крепежных деталей — валики, оси и т. д.

Для увеличения поверхностной прочности этих сталей их цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например слабонагруженных зубчатых колес, кулачков и т. д. За счет твердого поверхностного слоя резко возрастает износостойкость изде­лий, а сердцевина при этом остается пластичной и вязкой. Поверхностный слой с покрытием можно упрочнить закалкой в воде с последующим низким отпуском. Сердцевина же из-за низкой прокаливаемости этих сталей практи­чески не упрочняется.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 и аналогичные стали с по­вышенным содержанием марганца 30Г, 40Г и 50Г в нормализованном со­стоянии отличаются повышенной прочностью, но соответственно меньшей вязкостью и пластичностью. В зависимости от условий работы деталей из этих сталей к ним применяют различные виды термической обработки: нор­мализацию, улучшение, закалку с низким отпуском, закалку ТВЧ и др.

В табл. 4.4 приведены механические свойства сталей после нормализа­ции (числитель) и закалки с отпуском (знаменатель). Для каждой стали вы­брана такая температура отпуска, при которой временное сопротивление улучшенной стали равно временному сопротивлению нормализованной ста­ли (для сталей 25 и 35 температура отпуска равна 700 °С, для стали 45 — 650 °С, для стали 55 — 620 °С).

Таблица 4.4. Механические свойства сталей после термической обработки

Свойства	Марка стали
ст„МПа от,МПа 5,%	460/460 240/280 27/30	550/550 280/330 22/25	660/660 340/380 17/22	750/750 380/440 12/17

Приведенные данные показывают, что при одинаковом временном со­противлении нормализованной и улучшенной стали такие свойства, как пре­дел текучести и относительное удлинение, выше после закалки с высоким отпуском за счет более дисперсной структуры (сорбит). Закалка с отпуском обеспечивает и более высокую ударную вязкость и хладостойкость, чем нормализация. Эти стали применяют для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих циклические нагрузки. В крупногабаритных деталях больших сечений из-за плохой прокаливаемости механические свойства значительно снижаются.

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85, а также с повышен­ным содержанием марганца 60Г, 65Г и 70Г в основном используют для изго­товления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с вы­сокой упругостью и износостойкостью. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру тростит (ст, > 800 МПа) в сочетании с удовлетвори­тельной вязкостью и хорошим пределом выносливости.

4.6. Автоматные стали

Эти стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием за счет повышенного содержания серы и фосфора. Оба эти элемента повышают стойкость инструмента. Обрабатываемость связана с интенсивностью изна­шивания режущего инструмента, скоростью резания, чистотой поверхности резания, формой стружки и т. д. Необходимо также отметить связь механиче­ских свойств стали с обрабатываемостью. Здесь необходимо учитывать и ско­рость резания и разогрев инструмента во время этого процесса. Обработка пластичных сталей затруднена из-за трудноломающейся стружки. Обрабаты­ваемость низкоуглеродистых сталей повышают холодной пластической де­формацией, что способствует формированию легкоотделяющейся стружки.

Очень эффективным металлургическим приемом является введение в сталь серы, селена, теллура, кальция, которые изменяют состав неметалличе­ских включений, а также свинца, который образует собственные включения. В табл. 4.5 в соответствии с ГОСТ 1414—75 приведен химический состав некоторых автоматных сталей.

Таблица 4.5. Химический состав автоматных сталей

Марка стали	Содержание элементов, %
С	Мп	Si	S	Р	РЬ	Se
АН А12 А20 АЗО А40Г АС14 А35Е	0,07—0,15 0,08—0,16 0,17—0,24 0,27—0,35 0,37—0,45 0,10—0,17 0,32—0,40	<0,1 0,7—1,0 0,7—1,0 0,7—1,0 1,2—1,55 1,0-1,3 0,5—0,8	0,8—1,20 0,15—0,35 0,15—0,35 0,15—0,35 0,15—0,35 <0,12 0,17—0,37	0,15—0,25 0,08—0,20 0,08—0,15 0,08—0,15 0,18—0,30 0,15—0,20 0,06—0,12	<0,10 0,08—0,15 <0,06 <0,06 <0,05 <0,1 < 0,035	0,15—0,3	0,04 0,10

Эти стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающи­ми среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания

букв «AC» (AC 14). Чтобы не проявлялась красноломкость, в сталях увеличе­но количество марганца. Добавление в автоматные стали свинца, селена и теллура позволяет в 2—3 раза сократить расход режущего инструмента.

Улучшение обрабатываемости достигается модифицированием кальци­ем (вводится в жидкую сталь в виде силикокальция), который глобулизирует сульфидные включения, что положительно влияет на обрабатываемость, но не так активно, как сера и фосфор.

Сера образует большое количество сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают смазывающее действие, нару­шая при этом сплошность металла. Фосфор повышает хрупкость феррита, облегчая отделение стружки металла во время процесса резания. Оба эти элемента способствуют уменьшению налипания на режущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой поверхности.

Однако необходимо помнить, что повышение содержания серы и фос­фора снижает качество стали. Стали, содержащие серу, имеют ярко выра­женную анизотропию механических свойств и пониженную коррозионную стойкость.

Стали All, А12, А20 используют для крепежных деталей и изделий сложной формы, не испытывающих больших нагрузок, но к ним предъявля­ются высокие требования по точности размеров и чистоты поверхности.

Стали АЗО и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения.

Свинецсодержащие стали широко применяют для изготовления деталей двигателя.

В автоматных селеносодержащих сталях повышается обрабатываемость за счет образования селенидов, сульфоселенидов, которые обволакивают твердые оксидные включения и тем самым устраняют их истирающее дейст­вие. Кроме того, селениды сохраняют глобулярную форму после обработки давлением, поэтому практически не вызывают анизотропии свойств и не ухудшают коррозионную стойкость стали, как сера. Применение этих сталей снижает расход инструмента в два раза и до 30% повышает производительность.

4.7. Углеродистые инструментальные стали

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформиро­вания. Основные свойства, которые необходимы для инструмента, — изно­состойкость и теплостойкость. Для обеспечения износостойкости инстру­мента необходима высокая поверхностная твердость, а для сохранения фор­мы инструмента (смятия и выкрашивания рабочих кромок) сталь должна

быть прочной, твердой и относительно вязкой. От теплостойкости стали за­висит возможная температура разогрева режущего инструмента, т. е. ско­рость резания или производительность инструмента работающего, в среднем до 200 °С.

Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. В основном их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента и для штампово-инструментальной оснастки регламентирован­ного размера.

Углеродистые стали (ГОСТ 1435—90) производят качественные — (У7, У8, У9,..., У13) и высококачественные — (У7А, У8А, У9А,..., У13А). Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра — среднее содержа­ние углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Углеродистые стали поставляют после отжи­га на зернистый перлит. За счет невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 187—217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и де­формируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высоко­производительные методы изготовления инструмента.

Из-за низкой прокаливаемости (10—12 мм) углеродистые стали приме­няются для мелкого инструмента. Если сечение достигает 25 мм, то сердце­вина остается незакаленной, а достаточно твердая режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, развертки, напильники и т. д.). Несквозная закалка оставляет сердцевину вязкой и способствует за счет этого инстру­менту работать на удар, смягчая деформацию при эксплуатации. Инструмент с незакаленной сердцевиной меньшего сечения для уменьшения деформаций и опасности растрескивания охлаждают в масле или расплавах солей при 160—200 °С.

Стали марок У7, У8, У9 подвергают полной закалке и отпуску при 275—350 °С на тростит (HRC 48—51); так как они более вязкие, то их ис­пользуют для производства деревообделочного, слесарного, кузнечного и прессового инструмента.

Заэвтектоидные стали марок У10, У11, У12 и У13 подвергают непол­ной закалке и низкому отпуску при 150—180 °С на структуру мартенсит отпуска с включениями цементита. Инструмент из этих марок сталей обла­дает повышенной износостойкостью и высокой твердостью (HRC 62—64) на рабочих гранях. Необходимо учитывать, что при нагреве выше 200 °С твердость резко снижается. В связи с этим инструмент из этих сталей при­годен для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания.

Заэвтектоидные стали используют для изготовления мерительного инст­румента (калибры), режущего (напильники, пилы, метчики, сверла, резцы и т. д.) и небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.

Сталь марки У13 применяют для изготовления инструментов, требую­щих наиболее высокой твердости: шаберов, гравировального инструмента.

Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качествен­ные, но из-за несколько лучшей вязкости их чаще используют для инстру­ментов с более тонкой режущей кромкой.

Недостатком инструментальных углеродистых сталей является поте­ря прочности при нагреве выше 200 °С (отсутствие теплостойкости). Ин­струмент, изготовленный из этих сталей, применяют для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания или деформирования.

4.8. Чугуны

Чугуны — более дешевый материал, чем стали. Содержание углерода в них больше 2,14%. Они обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей.

Литая структура чугунов содержит концентраторы напряжений, в каче­стве которых могут быть многочисленные дефекты, такие, как пористость, ликвационная неоднородность, микротрещины, отчего напрямую зависит конструкционная прочность.

Известно, что литейные свойства сплавов тем выше, чем меньше их температурный интервал кристаллизации. Следовательно, наиболее высоки­ми литейными свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превращение (см. рис. 4.1).

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочно­сти, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны широко применяются в машиностроении. Детали машин, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем детали, изготовленные обработкой реза­нием из горячекатаных стальных профилей или из поковок и штамповок. Хорошая жидкотекучесть чугунов и их способность к образованию малой усадочной раковины позволяют получать из них достаточно качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок.

Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь по классической схеме руда—чугун—сталь. В процессе переплавки из чугуна путем окисления удаляется некоторое количество серы и фосфора.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механиче­ских свойств их выделяют в особую группу.