Качественные высокопрочные стали: конструкционная и инструментальная

24.01.2022 Автор: VT-METALL

Из этого материала вы узнаете

:

• Описание углеродистой конструкционной стали
• Плюсы и минусы углеродистой конструкционной стали
• Разновидности углеродистой конструкционной стали в машиностроении
• Характеристики углеродистой конструкционной стали в строительстве
• Ограничения по использованию углеродистых конструкционных сталей

Углеродистые конструкционные стали являются весьма востребованными в строительстве и машиностроении, но также используются и в других областях промышленности. Универсальность обеспечивается характеристиками, которые позволяют подобрать необходимое сочетание качеств.

Впрочем, у этой особенности есть и обратная сторона – сложная классификация с обилием маркировок. В нашей статье мы расскажем, что собой представляет углеродистая конструкционная сталь, по каким признакам ее классифицируют и разберем ограничения в ее использовании.

Описание углеродистой конструкционной стали

Конструкции, механизмы, задействованные в промышленности и строительных работах, должны отличаться повышенной прочностью. Поэтому их производят из материала с особыми характеристиками, ведь от них зависит безопасная эксплуатация объекта при любых окружающих условиях. Углеродистая конструкционная сталь отвечает всем нормам по химическим, физическим и механическим показателям.

Данный металл выгодно отличается от других своей способностью справляться с постоянными и переменными нагрузками, является стойким к износу и образованию ржавчины. Чаще всего используют обычную углеродистую конструкционную сталь, но иногда прибегают к ее легированию при помощи определенных добавок, чтобы обеспечить материалу новые свойства.

Углеродистые конструкционные стали имеют в составе железо, кремний, медь, марганец, прочие вещества. Однако главной добавкой является углерод, поскольку от него зависят ключевые характеристики и степень прочности металла. Концентрация углерода определяет стойкость объекта к хладноломкости, способность справляться с производственными нагрузками, сменой погодных условий.

VT-metall предлагает услуги:

Среди конструкционных сталей принято выделять несколько классов в соответствии с долей вредных веществ – под последними понимают серу и фосфор. Чем больше этот показатель, тем ниже уровень хладноломкости и красноломкости металла.

Конструкционные легированные стали

В соответствии с ГОСТ 4543-71 наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь. Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа, при содержании легирующего элемента до 1.5% цифра за соответствующей буквой не указывается.

Например, сталь состава C 0,09-0,15%, Cr 0,4-0,7%, Ni 0,5-0,8% называется 12ХН, а сталь состава C 0,27-0,34%, Cr 2,3-2,7%, Mo 0,2-0,3%, V 0,06-0,12% — 30×3МФ.

Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S < 0,03%, P < 0,03%) и сталь относится к группе высококачественных в конце ее обозначения ставят букву А.

Особовысококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов, обозначают добавлением через тире в конце наименования стали буквы Ш. Например: 12×2Н4А, 15×2МА, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш и др.

Плюсы и минусы углеродистой конструкционной стали

Преимущества подобного металла становятся очевидны после того, как изделия проходят термическую обработку. Поэтому в процессе производства их подвергают воздействию температуры, чтобы проявить такие достоинства:

• Закалка и отпуск позволяют усилить сопротивление материала пластическим деформациям. В итоге данный показатель углеродистой конструкционной стали становится выше, чем у углеродистых сплавов при равном содержании углерода.
• В идентичных условиях конструкционная сталь прокаливается сильнее углеродистой. Из-за чего внешние элементы, имеющие значительную толщину, рекомендуется изготавливать из конструкционной стали с легирующими добавками. Благодаря составу, деталь прокаливается насквозь.
• Термическая обработка подобной стали может проходить с применением так называемых «мягких» охладителей, то есть масла. При помощи данного подхода серьезно сокращается вероятность растрескивания, коробления в процессе закалки.
• После термообработки и легирования у конструкционной стали возрастает вязкость, порог хладноломкости. Поэтому техника, в составе которой присутствуют детали из этого металла, считается более надежной.

Однако у углеродистой конструкционной стали есть и отрицательные свойства

:

• Большинство изделий из нее подвержено обратимой отпускной хрупкости.
• Под действием температуры сталь теряет изначальную твердость и сопротивление усталости.
• Ковка, прокатка приводят к тому, что структура изделий меняется на строчечную. В зонах деформации они утрачивают однородность, из-за чего металл становится сложно резать.
• Углеродистым конструкционным сталям, легированным никелем, свойственно формирование флокенов, то есть светлых пятен в изломе. Они появляются при выходе водорода, растворенного в металле. В поперечном разрезе такие дефекты выглядят как трещины, расходящиеся в разных направлениях.

Низкоуглеродистые стали

Низкоуглеродистые стали 08 и 10 применяют без термической обработки для малонагруженных деталей, тонколистовую сталь используют для холодной штамповки изделий. Сталь 10 применяется для изготовления элементов сварных конструкций, корпусов и трубных пучков теплообменных аппаратов, трубопроводов, змеевиков и других деталей, работающих от минус 40 до плюс 450 0С, к которым предъявляются требования высокой пластичности.

Стали 15, 20, 25 чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин упрочняемых цементацией. Сталь 20 применяется для изготовления трубопроводов, змеевиков, труб перегревателей, трубных пучков теплообменных аппаратов, и других деталей, работающих от минус 40 до плюс 475 0С.

Разновидности углеродистой конструкционной стали в машиностроении

Стали углеродистые обыкновенного качества, выпускаемые по ГОСТ 380-71

Данный тип сталей является наиболее распространенным и поставляется в виде проката в нормализованном состоянии. Он применяется в машиностроении, строительстве, пр.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества маркируют при помощи букв Ст и цифр в пределах от 0 до 6. Последние обозначают номер марки – чем больше число, тем выше доля углерода, прочность, при этом ниже пластичность.

Справа от номера марки пишут индекс: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная сталь. Между индексом и номером марки нередко есть буква Г, свидетельствующая о повышенной концентрации марганца. Слева от букв Ст указываются группы стали. Стоит пояснить, что всего выделяют три группы: А, Б, В, которые устанавливаются в соответствии с назначением и гарантируемыми свойствами металла.

Стали обыкновенного качества делят на категории, исходя из требований к нормируемым показателям, то есть к химическому составу и механическим свойствам. При маркировке углеродистых конструкционных сталей категорию обозначают цифрой, которая располагается справа от индекса степени раскисления.

Допустим, Ст6ГпсЗ говорит о том, что перед нами сталь группы А, марки Ст6, с повышенной долей марганца, полуспокойная, третьей категории. Если при заказе металла указана определенная категория, но неизвестна степень раскисления, категорию пишут за номером марки через тире, например Ст4-3. Для стали первой категории цифру 1 не ставят, поэтому маркировка выглядит таким образом: Ст4пс.

У сталей группы А

не регламентируется химический состав, зато гарантируются механические свойства. Такие металлы обычно становятся материалом деталей, при изготовлении которых не используется горячая обработка, то есть сварка, ковка и прочие методы.

Для стали группы Б

производитель не гарантирует механические свойства, а ее ключевой характеристикой считается химический состав. Этот металл используют для изделий, проходящих термообработку и горячую обработку давлением, например, штамповку, ковку.

Сталь группы В

поставляют в соответствии с механическими характеристиками, отвечающими нормам для группы А. Тогда как по химическому составу этот металл должен подходить под требования к углеродистым конструкционным сталям группы Б. Такой материал применяют в большинстве случаев для изготовления сварных конструкций.

Стали углеродистые качественные конструкционные, выпускаемые по ГОСТ 1050-74

Они отличаются от сталей обыкновенного качества меньшей долей серы, фосфора и прочих вредных примесей в составе. Также они имеют более узкие пределы содержания углерода в каждой марке и чаще всего более высокую концентрацию кремния и марганца.

Рекомендуем статьи

• Легированная сталь: виды, марки и назначение
• Коррозионностойкая сталь: виды и особенности
• Быстрорежущая сталь – характеристика, маркировка, области применения

Для маркировки качественных углеродистых конструкционных сталей используют двузначные числа, которые говорят о содержании углерода в сотых долях процента. Также нужно учитывать, что данный металл поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств.

По степени раскисления выделяют кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную сталь, которая не имеет соответствующего индекса. Буква Г также свидетельствует о повышенной доле марганца, но в пределах 1%.

Данная сталь бывает катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности, которая известна как серебрянка

.

Стали углеродистые специального назначения, выпускаемые по ГОСТ1414-75

Они имеют хорошую и повышенную обрабатываемость резанием, поэтому известны как автоматные стали. В первую очередь, такой металл применяется для изготовления деталей массового производства. При его обработке на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, обеспечивается меньший расход режущего инструмента, снижается уровень шероховатости обработанных поверхностей.

Автоматные углеродистые конструкционные стали со значительной долей серы и фосфора хорошо обрабатываются. Чтобы добиться высокой обрабатываемости резанием в металл вводят селен, свинец, теллур в качестве технических добавок.

Для маркировки данной группы сталей используют букву А и цифры, по которым можно определить среднее содержание углерода в сотых долях процента. Существуют такие марки автоматной стали: А12, А20, АЗО, А40Г.

Металл первой марки используют для производства неответственных деталей, тогда как из остальных делают элементы, призванные работать при повышенном напряжении и давлении. Данная сталь поступает в продажу в качестве прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Стоит оговориться, что такой металл не подходит для изготовления сварных конструкций.

Стали листовые, а именно котельные, ГОСТ 5520-79 и ТУ, предназначены для производства котлов и емкостей, работающих под давлением. Поэтому такие углеродистые конструкционные стали нашли применение в сфере изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин, прочих изделий. Их задача состоит в том, чтобы справляться с переменными давлениями и температурами в пределах +450 °С.

Немаловажным качеством котельной стали является хорошая свариваемость. Для этого в металл добавляют титан и дополнительно раскисляют его алюминием.

Существует несколько марок углеродистой котельной стали: 12К, 15К, 16К, 18К, 20К, 22К, доля углерода в них находится на уровне 0,08–0,28 %. Металл поставляют в виде листов толщиной не более 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Область применения достаточно широка. Основными потребителями сплавов являются машиностроительная и строительная отрасли. Одним из достоинств считается хорошая свариваемость.

Как следует из названия, «конструкционная» — значит использующаяся для строительных металлоконструкций. Другое название – арматурные стали.

Рассматривая основные марки качественных сталей, использующиеся промышленными предприятиями можно разделить по назначению.

1. Качественные низкоуглеродистые стали 05-10. Основное их назначение изготовление ответственных и качественных конструкций с помощью сварки (повышение количества углерода способствует понижению свариваемости). Небольшое количество углерода после сварочных работ не провоцирует образование трещин как горячем, так и в холодном состоянии.

1. Качественные низкоуглеродистые стали 12-20. Основное их назначение изготовление элементов конструкций и деталей, которые не ответственные, малонагруженные, в последствии цементируемые. Обрабатываются резанием, холодной штамповкой, сложной вытяжкой. Требования к поверхности: износостойкость, высокая твердость при мягкой сердцевине. Изготавливаются машиностроительные элементы (вал, ось, болт, муфта, вилка, рычаг, фланцы и прочие), а также элементов котлового оборудования, работающего при высоком давлении и температурах от -40°С до 450°С (трубопровод, тройник, соединительный фланец и прочие).

1. Качественные среднеуглеродистые стали 25-35. Детали, изготовленные из данного материала, работают при средних нагрузках и с невысокими напряжениями. После химико-термического воздействия обладают высокой прочностью поверхностного слоя, износостойкостью, но с незначительной прочностью сердцевины детали (гайка, винт, собачка, крюк, кулачок, звездочка и прочие).
2. Качественные среднеуглеродистые стали 40-45. После термической обработки изделия из данного материала хорошо переносят средние нагрузки (вал, шестерня, шатун и прочие). Для получения заготовок используется метод горячей объемной штамповки. Подвергаются всем способам термической обработки. У всех среднеуглеродистых сталей после закалки и следующего за ним высокого отпуска внутренней структурой становится отпускной сорбит. В связи с чем повышается вязкость с пластичностью, а это низкая чувствительность у концентраторов напряженности. При увеличении диаметра изделия снижается его прокаливаемость.

1. Качественные среднеуглеродистые стали 50-55. Детали из этих сталей являются высоконагруженными элементами механизмов и агрегатов (муфта, шестерня, кольцо пружинное и прочие).
2. Качественные высокоуглеродистые стали 60-80 (Г). Изготавливаются детали, подвергающиеся постоянным напряжениям сжатия, которые эксплуатируются в условиях трения (эксцентрик, рессора, пружина и прочие), а также работающие при больших нагрузках динамических и статических (торсион, крестовина).

1. Качественные котельные стали 12К-22К. Применение нашли при изготовлении деталей, работа котрых сопряжена с повышенными температурами и высоким давлением. Для улучшения свариваемости в состав вводится титан, а раскисление производится за счет алюминия. Из нее изготавливают сосуды и котлы, работающие с турбинами, камерами сгорания на суднах и паровых агрегатах.

1. Сталь автоматная. Широко применяется при промышленном производстве крепежных изделий для автомобилей и узлов, работающих при статических нагрузках (болт, гайка, шпилька).

Характеристики углеродистой конструкционной стали в строительстве

Для строительных нужд используются углеродистые конструкционные стали с небольшой концентрацией легирующих элементов, то есть хрома, марганца и кремния. Доля углерода в них не выходит за пределы 0,1–0,2 %. Данный металл отличается хорошей свариваемостью и другими важными при изготовлении строительных конструкций свойствами. К ним относятся:

• хорошая ковкость и жидкотекучесть;
• высокая твердость и ударная вязкость;
• оптимальные параметры относительного удлинения и прочности.

За счет производства изделий для строительной сферы из низколегированных, а не углеродистых сталей удается на треть сократить издержки на сырье. Легирование позволяет улучшить закаливаемость металла и повысить его предел текучести.

Чаще всего среди углеродистых конструкционных сталей используются такие марки, поставляемые в виде сортового проката, листов, полос и прутков:

• 14Г2;
• 15ХСНД;
• 10Г2С1;
• 18Г2;
• 18Г2С;
• 25Г2С;
• 35ГС.

Перечисленные стали хорошо свариваются и поддаются прочим способам обработки, поэтому подходят для изготовления строительных конструкций любого размера и конфигурации без значительных трудозатрат.

Степень раскисления

По степени удаления кислорода из стали, т. е. По степени её раскисления, существуют:

• спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами «сп» в конце марки (иногда буквы опускаются);
• кипящие стали — слабо раскисленные; маркируются буквами «кп»;
• полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами «пс».

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:

• сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);
• сталь группы Б — по химическому составу;
• сталь группы В — с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности, относительное удлинение, предел текучести, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.

Ограничения по использованию углеродистых конструкционных сталей

Доля углерода фиксируется при помощи цифры в маркировке – от этого показателя зависит качество и область применения изделий из стали.

Если нужно добиться повышенной твердости, сопротивляемости износу элементов из углеродистой конструкционной стали, используют графитизацию, наклеп, наплавку.

Чтобы не ошибиться при выборе марки металла под конкретные задачи, важно понимать перечисленные выше свойства конструкционных сталей. Если вас не покидают сомнения, стоит посоветоваться со специалистами – они точно помогут подобрать подходящий материал.

Отличительные характеристики сталей иных конструкционных типов

Сплавы конструкционного типа, являющиеся устойчивыми к износу, производят с добавлением большого количества легирующих составляющих. При этом они могут быть не только низкоуглеродистыми, но и с высоким показателем содержания углерода. Используются такие стали при изготовлении частей дробильных устройств, лопастей к насосам, траков. Во многом это обязано устойчивостью к механическим нагрузкам в процессе работы и кавитационной коррозии. Из них самыми популярными и востребованными среди потребителей данной продукции являются марки 12Х18Н9Т, ОХ14АГ12, ОХ14АГ12М, Г13.

Те виды проката, который относят к автоматному (А40Г, АЦ45Х, другие) содержат следующие компоненты: Mg = 0,6 – 1,5 %, Р = 0,05 – 0,16 %, S = 0,05 – 0,3 %. Основного компонента – С2 в нем 0,45 %. При добавлении селена, кальция и даже свинца позволяет повысить качественные свойства. Полученные характеристики позволяют производить конструкции для сферы автопрома. К таким относятся болты, шурупы, шпильки, прочее.