Углеродистые конструкционные стали

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества содержат до 0,49 % углерода, наиболее дешевы, из них изготавливают сортовой прокат: балки, листы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжени­ях. Стали разделяют на три группы: А, Б и В. Их маркируют сочетанием букв Ст и цифрой от 0 до 6, показывающей условный номер марки. После номера марки добавляют индексы: кп – кипящие, пс – по­луспокойные, сп – спокойные.

Стали первой группы поставляются с гарантированными механическими свой­ствами и используются в основном без термической обработки, например Ст1кп, Ст2пс, Ст3сп.

Стали второй группы поставляются с гарантированным химическим составом и предназначаются для изделий, изготавливаемых с применением горячей обра­ботки (ковки, сварки, термообработки). Впереди марки ставится буква Б, например: БСт2кп, БСт3сп, БСт4пс.

Стали третьей группы поставляются с гарантированным химическим составом и механическими свойствами, имеют главным образом специализированное на­значение. Впереди марки ставится буква В, например: ВСт3сп, ВСт3пс, ВСт5сп.

Стали группы Б и В применяют в случаях, когда сталь надо подвергать горячей деформации, сварке или упрочнять термообработкой. Для определения режима обработки необходимо знать химический состав стали.

Углеродистые качественные конструкционные сталихарактеризуются более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Качественные стали находят многостороннее применение в машиностроении, приборостроении, так как в зависимости от со­держания углерода и термической обработки они обладают широким комплексом механических и технологических свойств, и маркируются двухзначными цифрами 08, 10, 15, 20, ..., 70, обозначающими среднее содержание углерода в со­тых долях процента. Перед цифрами буквы Ст не ставятся, но можно писать слово «сталь» или «марка».

Спокойные стали маркируются без индекса, кипящие и полуспокойные – с индексами «кп» и «пс» соответственно. Кипящие и полуспокойные (низкоуглеродистые) стали выпускаются следующих марок: 08кп, 10кп, 20кп, 25кп, 08пс, 10пс, 15пс, 20пс, 25пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,07 %), а в полуспокойных его количество ограничено (0,17 %).

Стали, предназначенные для производства отливок, маркируются с до­бавлением буквы Л (литейные), например: 20Л, 25Л, 30Л. Углеродистые качест­венные стали могут быть с нормальным (0,25 – 0,7 %) и повышенным (1,0 – 1,2 %) содержанием марганца. Марганец увеличивает прокаливаемость стали, пределы прочности и текучести. У сталей с повышенным содержанием марганца в марке добавляется буква Г, например: 30Г, 40Г, 50Г.

Автоматные стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием благодаря повышенному содержанию серы и фосфора и предназначены для из­готовления деталей массового производства на станках-автоматах из пруткового материала. Они мар­кируются буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержа­ние углерода в сотых долях процента, например: А12, А20, А30Г. В последнее время как автоматные применяют углеродистые стали с добавлением свинца (0,15 – 0,30 %) и кальция, например АС20, АС25, АС30.

Углеродистые инструментальные стали поставляют потребителю после отжига на зернистый перлит с гаран­тией химического состава и твердости. Зернистый перлит, по сравнению с пластинчатым, улучшает обрабатываемость стали резанием, понижает твердость и прочность при значительном повышении пластичности. К недостаткам углеродистых инстру­ментальных сталей относятся склонность к перегреву, низкая прокаливаемость, отсутствие теплостойкости. Из них изготавливают деревообделочный, слесар­ный, кузнечный, гравировальный инструмент, пуансоны, матрицы и т. п.

Каче­ственные и высококачественные инструментальные стали маркируются буквой У (углеродистые инструментальные) и цифрами, показывающими среднее со­держание углерода в десятых долях процента, например: У7, У8, У10, У12 – ка­чественные и У7А, У8А, У10А, У12А – высококачественные. Буква А в конце марки указывает на то, что сталь высококачественная.

Серые чугуны

Чугун – важнейший машиностроительный материал для литейного произ­водства. Он как конструкционный материал обеспечивает возможность получения заготовок сложной формы и их низкую стоимость. Из широкого ряда свойств этого материала нужно отметить сочетание виброустойчивости с высокой теплопроводностью, а также высокую механическую прочность и хорошую износостойкость. Различают белый чугун, в кото­ром весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементи­та. Этот чугун твердый, хрупкий и имеет ограниченное применение.

Чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью нахо­дится в свободном состоянии в виде графита, называется серым.

Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина – серого. Высокая твердость поверхности (500НВ) обеспечивает хорошую сопротивляемость износу, поэтому из отбеленного чугуна отливают валки листопро­катных станов, шары мельниц и другие детали, которые должны обладать высокой износостойкостью.

Механические свойства серого чугуна зависят от его структуры, главным образом от графитной составляющей. Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов и пустот. Следователь­но, механические свойства будут зависеть от количества, размеров и формы графитных включений.

На процесс графитизации оказывают влияние химический состав и ско­рость охлаждения чугуна после заливки его в формы. Углерод и кремний уси­ливают графитизацию. Марганец и сера препятствуют графитизации и повышают способность чугуна к отбеливанию, т. е. к появлению структурно-свободного цементита, особенно в поверхностных слоях. Чем меньше скорость охлаждения чугуна в литейной форме, тем больше степень графитизации. В практических условиях скорость охлаждения определяется главным образом площадью поперечного сечения от­ливки (толщиной стенки).

В зависимости от формы графитных включений и условий их образования различают чугуны серые, высокопрочные и ковкие (рис. 26).

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируется буквами СЧ, после букв ставятся цифры, указывающие среднее значение пре­дела прочности при растяжении (кгс/мм²).

Ферритные и феррито-перлитные чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ20 с крупными или средними пластинками графита (рис. 27, а) используют для слабо- или средненагруженных деталей (строительные колонны, фундаментные плиты, корпуса ре­дукторов, насосов и т. п.). В ферритном чугуне СЧ10 зерна феррита разобщены пластинками графита, снижающими прочность сплава, и, как надрезы, значи­тельно уменьшают его пластичность. Феррито-перлитные чугуны имеют более высокую прочность и твердость, так как в их структуре меньше графита и присутствует более прочная структурная состав­ляющая – перлит (рис. 27, б).

Перлитные чугуны СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для ответствен­ных деталей, работающих при высоких статических (иногда динамических) на­грузках (маховики, гильзы цилиндров, блоки двигателей, крупные шестерни и т. п.). Структура этих чугунов – перлит и мелкопластинчатый графи­т (рис. 27, в). Широкое колебание значений предела прочности объясняется размером, формой и характером распределения пластинок графита, а также размером зе­рен перлита. Такую структуру чугун получает в результате модифицирования.

а б в

Рис. 26. Микроструктура чугунов с различной формой графита (´ 100):

а – пластинчатая (серый чугун); б – шаровидная (высокопрочный);

в – хлопьевидная (ковкий); шлифы нетравленые

Модифицирование проводится введением в расплав кремния в виде ферросилиция или силикокальция. При этом чугун очищается от окислов и га­зов, измельчается его структура и повышаются механические свойства (СЧ35, СЧ40, СЧ45). Чугуны с перлитной основой и мелкопластинчатым графитом на­зывают серыми модифицированными или высококачественными.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (рис. 26, б) маркируется буквами ВЧ и цифрами, указывающими предел прочности при растяжении (кгс/мм²) и относительное уд­линение (%). Чугуны ВЧ80-3, ВЧ70-3 имеют перлитную металлическую основу; ВЧ45-5 – перлитно-ферритную; ВЧ40-10, ВЧ42-12 – ферритную основу и, следовательно, более высокую пластичность.

Высокопрочный чугун получают введением в расплав двух модификаторов: кремния и магния (или церия). Кремний – графитизатор, а под влиянием магния графит принимает не пла­стинчатую, а шаровидную форму, меньше ослабляет металлическую основу чу­гуна и не является активным концентратором напряжений. Механические свой­ства высокопрочных чугунов можно повысить введением легирующих элемен­тов и термической обработкой.

а б в

Рис. 27. Микроструктура серых чугунов с пластинчатым графитом (´ 300):

феррито-перлитный серый чугун с крупнопластинчатым (а) и

мелкопластинчатым (б) графитом; в – перлитный серый чугун

с мелкопластинчатым графитом

Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графита (рис. 26, в), его получают в результате специального графитизирующего отжига отливок из белого доэвтектического чугуна. Режим отжига состоит из двух стадий (рис. 28).

При нагреве белого чугуна (П + Л + Ц_II) выше линии PSK (см. рис. 22) образуются аустенит и цементит; цементит при этой температуре распадается с образованием хлопьев графита (первая стадия графитизации) и структура чугуна будет аустенит и графит. Затем следуют охлаждение и выдержка при температуре несколько ниже линии PSK (вторая стадия графитизации). Если выдержка на второй стадии графитизации была недостаточна, то распад перлитного цементита может протекать не до конца и чугун получит структуру перлит, феррит и графит (хлопьевидный). Полный распад цементита и получение структуры феррит и графит (хлопьевидный) требует длительной выдержки (рис. 28).

Отжиг белого чугуна на ковкий – операция длительная (8 – 10 часов на ка­ждой стадии графитизации). Для сокращения времени и повышения производительности печей на каждом производстве следует разрабатывать конкретные технологические мероприятия.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами, указывающими предел прочности при растяжении (кгс/мм²) и относительное удлинение (%). Ферритные ковкие чугуны КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10 используют для отливок, эксплуатируемых при значительных динамических и статических нагрузках (кар­теры редукторов, ступицы, крюки, скобы, детали контактной сети, головки и наконечники рукавов тормозной магистрали). Из феррито-перлитных чугунов КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ60-3, обладающих большей прочностью и некото­рой пластичностью, изготавливают втулки, муфты, звенья и ролики цепей конвейера, вилки карданных валов и т. п. Ковкие чугуны применяют главным обра­зом для изготовления мелких тонкостенных (до 40 – 50 мм) деталей в отличие от высокопрочных чугунов, которые используют для деталей большего сечения.

5. термическая обработка стали

5.1. Общие сведения

Приступая к изучению термической обработки стали, следует помнить основное положение металловедения: свойства металлов и сплавов зависят от их строения.

Термическая (тепловая) обработка металлов и сплавов – это технологи­ческий процесс, связанный с нагревом, выдержкой и охлаждением, вызывающий изменение структуры сплава и, как следствие этого, изменение его свойств.

При нагреве стали выше критической точки А₁ (727°С) перлит переходит в аустенит. В каждом зерне перлита образуется несколько зерен аустенита. Следовательно, при переходе через критическую точку Ас₁ происходит измельчение зерна стали.

В процессе охлаждения, когда аустенит переходит в перлит, размеры зерна не изменяются. Какими были зерна аустенита, такими будут и зерна пер­лита. Зерно стали, полученное в результате той или иной обработки, называется действительным зерном. Все свойства стали зависят только от размера действитель­ного зерна.

Стали с мелкозернистой структурой имеют более высокую динамическую и усталостную прочность, низкий порог хладноломкости. Укрупнение зерна в результате высокотемпературного нагрева (перегрев стали) в два – три раза снижает ударную вязкость и предел выносливости и повышает порог хладноломкости.

Видманштеттова структура образуется вследствие охлаждения крупнозернистой стали из аустенитного состояния. При перекристаллизации в доэвтектоидной стали феррит, а в заэвтектоидной стали цементит вторичный выделяются не только на границах, но и внутри зерен аустенита (по плоскостям кристаллической решетки в местах различных кристаллических дефектов).

Видманштеттова структура имеет два характерных признака: крупнозернистость и определенную направленность пластин феррита в доэвтектоидных или цементита в заэвтектоидных сталях. Это признак перегрева стали, но перегретая сталь не всегда имеет видманштеттову структуру. Эта структура встречается в сложных по форме стальных отливках (корпус автосцепки), сварных швах и других перегретых деталях при термообработке. Такая структура – дефектная и в ответственных деталях недопустима, она должна быть устранена полным отжигом или нормализацией.

В большинстве случаев при термической обработке решающая роль в получении заданной структуры и свойств стали принадлежит охлаждению. Переохлаждение аустенита до тем­пературы 700 – 550°С приводит к образованию эвтектоидной смеси феррита и цементита различной дисперсности (размеров фаз). При малой степени переохлаждения (700 – 650°С) образуется крупнопластинчатая смесь феррита и цементита – перлит с твердостью НВ180 – 250. С увеличением ско­рости охлаждения и степени переохлаждения количество ферритоцементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояния между ними уменьшают­ся. При переохлаждении до 650 – 600°С образуется дисперсная (мелкая) структура – сор­бит (твердость – НВ250 – 350), а до 600 – 550°С – мелкодисперсная (очень мелкая) структура – троостит (НВ350 – 450).

Если нагретую до аустенитного состояния сталь переохладить до 250 – 150°С (в каком-либо охладителе), то произойдет перестройка решетки гамма-железа в алфа-железо. Весь углерод, растворенный в аустените, остается в альфа-железе и твердый раствор становится пересыщенным. Такой твердый раствор называется мартенситом. Мартенсит – основная структура закаленной стали, его твердость – HRC62 – 64 (HB600 – 660).

Избыточное количество углерода искажает решетку альфа-железа, и она становится тетрагональной. Этим объясняется увеличение твердости. Степень искаженности (тетрагональности) и твердость тем выше, чем больше углерода в стали. Образование мартенсита происходит при температуре от М_н до М_к.