Классификация, маркировка, области применения углеродистых сталей

«Классификация, маркировка, области применения углеродистых сталей» 1. Сталь различных способов производства В зависимости от способа производства стали отличаются по содержанию примесей, чем и обусловлено различие в их свойствах. Сталь подразделяют на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конвертерную и электросталь. Самый прогрессивный способ получения стали – конвертерный (продолжительность плавки – 30-60 мин.). Длительность мартеновской плавки до 11 часов.Сталь получают из чугуна, содержащего большое количество Mn, P, S, C, Si. При производстве стали примеси удаляют, окисляя их и переводя в шлак, снижают содержание углерода.

Большое количество окислов FеО в стали ухудшают ее качество. Для снижения количества окислов (т.е. содержания кислорода) сталь раскисляют, путем добавления ферромарганца – FeMn, ферросилиция – FeSi, а также Al, Ti. Эти раскислители имеют сродство к кислороду больше, чем железо.В зависимости от раскисления стали делят на: спокойную сталь – раскисляют FeMn, FeSi, Al или Ti. Обозначают сп. кипящую сталь – раскислена только FеMn. Обозначают кп. полуспокойную сталь – раскислена FеMn и Al, т.е. характеризуется промежуточным раскислением.

Обозначают пс. Стали отличаются по химическому составу в зависимости от раскисления: сп – 0,14 – 0,3% Si, ~ 0,002% О2; пс – 0,05 – 0,10% Si, ~ 0,01% О2; кп – <0,05% Si, ~ 0,02% О2. По данному химическому составу можно сказать какая это сталь по способу раскисления.Спокойная сталь (сп) – слиток затвердевает спокойно, без выделения газов, усадочная раковина сосредоточена в верхней части отливки.

Кипящая сталь (кп) – застывает с выделением газов; ускоренно охлаждаясь из металла выделяются газы СО и СО2 (наблюдается эффект кипения стали). Усадочная раковина закрытого типа, качество стали более низкое). Стали различных способов раскисления характеризуются следующими показателями выхода годного: спокойная сталь – 58-90%; полуспокойная сталь – 90-95%; кипящая сталь – 95-100%. Стальные слитки неоднородны по химическому составу.

Химическая неоднородность, или ликвация, возникает вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого состояния в твердое. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, а в нижней части – уменьшается. При прокатке – прибыльную, подприбыльную, и донную части слитка отрезают.Строение стальных слитков различных способов раскисления Рисунок 2. Классификация углеродистых сталей В зависимости от назначения стали делят на: конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны); инструментальные стали (режущий инструмент, мерительный инструмент, штампы). По структуре: – доэвтектоидные; – эвтектоидные; – заэвтектоидные.

По содержанию углерода: – малоуглеродистые (0,025ч0,25%С); – среднеуглеродистые (0,25ч0,6%С); – высокоуглеродистые (> 0,6%С). По качеству: – обыкновенного качества ( <0,05%S; <0,04%Р); – качественные ( <0,04%S; <0,035%Р); – высококачественные ( <0,03%S; <0,03%Р). Качество сталей определяется содержанием в них вредных примесей: серы и фосфора.

Конструкционные стали изготавливают обыкновенного качества и качественными; инструментальные стали – качественными и высококачественными. 3. Стали обыкновенного качества Данные стали в процессе выплавки меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше S и Р, большое количество неметаллических включений, значительно развита ликвация.

Содержание S до 0,05%; Р до 0,04%. Маркируются: Cт0, Cт 1, Cт2, Cт3, Cт4, Cт5, Cт6. Все эти стали по структуре доэвтектоидные – 0,06-0,49%С. Указание способа раскисления: Cт 1кп Cт 3 кп Cт 1 пс Cт 3 пс Cт 1 сп Cт 3 сп Начиная со стали 4 выпускают только стали сп и пс: Cт6сп, Cт6пс. Каждая марка стали выполняется в 14 вариантах, которые гарантируют определенные механические, химические свойства (ув, ут, KCV, д, содержание Р, S, Mn, C…). Рассмотрим в качестве примера сталь – Cт3сп4. Первая цифра «3» – указывает только порядковый номер марки стали по ГОСТ 380-88, а не содержание углерода.

Но с увеличением номера содержание углерода увеличивается. Чем больше содержится в стали углерода, тем выше прочность (ут, ув) и ниже пластичность (д, ш, KCU). Вторая цифра «4» (может изменяться от 1 до 5) – гарантирует определенные механические свойства и химический состав стали (категория поставки). Стали 1-ой категории имеют гарантию по механическим свойствам (предел текучести (ут, МПа), временное сопротивление (ув, МПа), относительное удлинение (д, %)). Стали 2-ой категории имеют гарантию по механическим свойствам и химическому составу.

Стали 3-й категории – по механическим свойствам, химическому составу и ударной вязкости при +200С. Стали 4-ой категории – по механическим свойствам, химическому составу и ударной вязкости при -200С. Стали 5-ой категории – по механическим свойствам, химическому составу, ударной вязкости при -200С и после старения.

Таблица № 1 Состав сталей и механические свойства сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) Массовая доля Механические свойства Марка стали %С %Si %Mn ув, н/мм2 ут, н/мм2 д, % KCU Дж/см2 (кгс•м/см2) Ст 0 0,23 0,05 0,25-0,5 300 22 Ст 1 сп 0,06 – 0,12 0,15-0,30 0,25-0,5 305-380 34 Ст 3 кп 0,14 – 0,22 0,07 0,3-0,6 380-460 235 27 Ст3пс 0,14 – 0,22 0,05-0,15 0,4-0,65 370-480 345 26 108 при -200С Ст3сп 0,14 – 0,22 0,12-0,30 0,4-0,65 380-490 355 26 98 при -200С Ст6сп 0,38 – 0,49 0,15-0,35 0,5-0,8 590 315 15 Для сталей марки Ст0 (беззаказка): S < 0 < 0,06%, Р < < 0,07%. Области применения сталей обыкновенного качества: Ст0 – ограждения, перила, кожухи, обшивка (т.е. детали неответственные). Ст1 – детали с высокой вязкостью и низкой твердостью (анкерные (фундаментные) болты, связывающие обшивки). Ст2 – неответственные детали требующие высокой пластичности или глубокой вытяжки. Ст3 – несущие элементы сварных и не сварных конструкций или деталей; фасонные швеллеры для рамы тракторов, обода колес автомобилей, фасонные профили для с/х машиностроения; арматура гладкого профиля для армирования ж/б конструкций.

Ст5 – болты, гайки, тяги, трубные решетки, клинья, рычаги, упоры, штыри, стержни, пальцы.

Ст6 – бабы молотов (ударная часть), шпиндели (вращающая часть на станке), ломы строительные.От Ст0 до Ст6 – балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь. Стали обыкновенного качества поставляются по гарантированному химическому составу и механическим свойствам.

Спокойная сталь по температуре перехода в хрупкое состояние значительно лучше, чем кипящая. 4. Качественные конструкционные углеродистые стали Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом, в мартеновских печах или электропечах.В зависимости от раскисления они могут быть спокойными или кипящими. К стали этой группы предъявляются более высокие требования относительно химического состава: меньше содержание серы – 0,04%, фосфора – 0,035%; меньше количество неметаллических включений; повышенные требования к макро- и микроструктуре сплава.

Поставляются стали по гарантированному химическому составу и механическим свойствам.Маркировка производится цифрами по ГОСТ1050-88: 05, 08, 10, 15, 20, …70, 75, 85,…08ю (Al), 10кп. Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стали 65, 70, 75, 80 можно отнести к группе рессорно-пружинных сталей (характеризуются высоким пределом упругости). Выпускают стали в соответствии с ГОСТ 1050-88. Изготавливают горячекатаную и кованую сталь с термической обработкой (отжиг, нормализация, высокий отпуск), так и без нее. Сталь предназначается для горячей обработки давлением, механической обработки и для холодного волочения (подкат). Таблица № 2 Химический состав и механические свойства углеродистой качественной стали (ГОСТ 1050-88) Марка %С ув, н/мм2 ут, н/мм2 д,% Ш, % KCU Дж/см2 08кп 0,05-0,11 310 (32) 196 (20) 34 60 - 08ю 0,05-0,11 310 196 34 60 - 08 0,05-0,11 310 196 32 60 - 20 0,17-0,24 410 245 28 85 - 30 0,27-0,35 480 294 24 50 78 40 0,37-0,45 560 333 20 45 59 60 0,57-0,65 687 402 12 35 - Рессорно-пружинные стали 65 0,62-0,7 676 402 10 35 70 0,67-0,75 715 421 9 30 75 0,72-0,8 1078 941 7 30 80 0,82-0,9 1128 980 6 30 В сталях 08, 10, 15, 20 – Mn &#8776; 0,35 – 0,65%. В остальных: Mn &#8776; 0,5 ч 0,8%. Содержание кремния: Si &#8776; 0,17 – 0,37% (в кипящих сталях 0,07%). Области применения углеродистых качественных конструкционных сталей. 05кп, 08, 08кп, 08ю – детали изготавливаемые холодной штамповкой и глубокой вытяжкой (кузова, крылья автомобилей, топливные баки, змеевики, элементы сварных конструкций); 10, 15 – используют для деталей не испытывающих высоких нагрузок: кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, болты, гайки, заклепки, муфты. 20, 25 – крепежный материал, соединительные муфты, шпиндели, толкатели клапанов, пальцы рессор, рамы и другие детали автотракторного с/х машиностроения. 30, 35 – слабонагруженные оси, валы различных машин и механизмов, шпиндели, шестерни ,рычаги, звездочки, кольца, шатуны. 40, 45, 50 – средненагруженные оси, валы, шестерни, втулки, коленчатые валы, плунжеры, фрикционные диски. 60, 65, 70, 75, 80, 85 – пружины, рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки, ж/д рельсы, крановые колеса. 5. Автоматные стали (конструкционные) Хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, при этом получается высокое качество поверхности.

Это достигается повышенным содержанием серы и фосфора. (S = 0,08 ч 0,3%; Р &#8776; 0,08 ч 0,15%). Сульфиды марганца MnS способствуют образованию короткой и ломкой стружки.

Фосфор, повышая прочность, твердость и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой и блестящей поверхности.

Маркировка: А12, где А – автоматная, «12» – среднее содержание углерода в сотых долях процента.

А4ОГ – повышенное содержание Mn (1,2-1,55%). Содержание: S &#8776; 0,08 – 0,3%; Р &#8776; 0,08 – 0,15%. А12 – 0,12%С, А30 – 0,3%С, А20 – 0,2%С, А40Г – 0,4%С. Для улучшения обрабатываемости можно добавлять свинец в количестве 0,15 – 0,3%. АС11, АС 14, АС40 – 0,4%С. Может быть проведено легирование селеном (Se): &#8776; 0,1%. А35Е – 0,35%С. Обрабатываемость улучшается в 2 раза (по сравнению со сталями с повышенным содержанием S и P). Из автоматных сталей изготавливают болты, гайки, винты, детали сложной конфигурации на станках автоматах. 6. Инструментальные качественные углероды Маркируются углеродистые инструментальные стали по ГОСТ1435-74: У7, У8, У10, У11, У12, У13, У14. Цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента: У7 – 0,7 % С; У11 – 1,1%С. Стали могут быть качественные и высококачественные. Содержание вредных примесей: Буква А в конце марки, указывает, что сталь высококачественная: Обозначение высококачественных углеродистых инструментальных сталей: У7А, У8А, …, У13А. Эти стали не обладают теплостойкостью, рабочая температура не более 190-2000С (при нагреве выше происходит резкое снижение твердости режущей кромки) с HRC62-63 до HRC15-18 (НВ 170-180). Области применения инструментальных сталей: У7, У7А – зубила, молотки, плоскогубцы, кусачки, пневмоинструмент.

У8, У8А – фрезы, ножи, зенковки, штампы, матрицы, пуансоны, ножницы, деревообрабатывающий инструмент.

У9, У9А, У10, У10А – сверла, метчики, развертки, плашки, матрицы для холодной штамповки.

У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А – резцы, напильники, сверла, измерительный инструмент, ножовочные полотна (легированные ~ в 6-ть раз дороже углеродистых). Используют после термической обработки. Литература 1. Лахтин Ю.М Леонтьева В.П. Материаловедение.

М 1972, 1980. 2. Гуляев А.П. Металловедение.

М 1986. 3. Антикайн П.А. Металловедение. М 1972.