Деформируемые углеродистые стали

 

Деформируемые углеродистые стали поставляются металлургическими заводами в горячекатаном состоянии без дополнительной термической обработки, или после термического упрочнения. Из таких сталей производят листы, полосы, прутки, швеллерные и двутавровые прокатанные профили, то есть деформируемые полуфабрикаты. Маркировка и технические условия деформируемых углеродистых конструкционных и инструментальных сталей обыкновенного качества, а также качественных и высококачественных определены, соответственно, в ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-88, ГОСТ 1435-90.

Конструкционные стали

Из всех материалов, применяемых в настоящее время и прогнозируемых в будущем, сталь позволяет получать сочетание высоких значений механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому сталь является основным и наиболее распространенным конструкционным материалом. Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу конструкций в условиях эксплуатации. Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, должны быть вязкими и хорошо сопротивляться ударным нагрузкам. При знакопеременных нагрузках конструкционные стали должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении - сопротивлением износу. Конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства - хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, иметь хорошую свариваемость.

Углеродистые стали обыкновенного качества Конструкционные стали обыкновенного качества, благодаря их технологическим свойствам, доступности и возможности получения необходимого комплекса свойств, используются при изготовлении металлоконструкций массового производства, а также слабонагруженных деталей машин и приборов.

Углеродистые стали по ГОСТ 380-94 применяют для изготовления проката горячекатаного: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового, а также слитков, блюмсов, слябов, сутунки, заготовок катаной и непрерывнолитой, труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки, метизов и др.

Углеродистые горячекатанные стали, обыкновенного качества по ГОСТ 380-94 «Сталь углеродистая обыкновенного качества» изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст2пс, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп (таблица 5.1).

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состав стали, буквы «кп» - кипящая, «пс» - полуспокойная, «сп»- спокойная - способ раскисления стали. Массовая доля вредных примесей в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора – не более 0,040 %, в стали марки Ст0 серы - не более 0,060 %, фосфора - не более 0,070 %. Массовая доля углерода в сталях колеблется от 0,06 до 0,49 %, массовая доля марганца – от 0,25 до 0,80 %. Полуспокойные и спокойные стали могут содержать повышенное количество марганца (до 1,20 %), тогда в обозначении марок добавляют букву «Г», например, Ст5Гпс. В кипящих сталях массовая доля кремния составляет не более 0,05 %, в полуспокойных – 0,05-0,15 %, в спокойных – 0,15-0,3 %.

В сталях допускается повышенное содержание вредных примесей, газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, поэтому они относятся к наиболее дешевым сталям. Металлургические заводы, в основном, их поставляют в горячекатанном состоянии без термической обработки.

 

Таблица 5.1 - Марки и химический состав сталей углеродистых обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	углерода	марганца	кремния
Ст0	Не более 0,23	-	-
Ст1кп	0,06-0,12	0,25-0,50	Не более 0,05
Ст1пс	0,06-0,12	0,25-0,50	0,05-0,15
Ст1сп	0,06-0,12	0,25-0,50	0,15-0,30
Ст2кп	0,09-0,15	0,25-0,50	Не более 0,05
Ст2пс	0,09-0,15	0,25-0,50	0,05-0,15
Ст2сп	0,09-0,15	0,25-0,50	0,15-0,30
Ст3кп	0,14-0,22	0,30-0,60	Не более 0,05
Ст3пс	0,14-0,22	0,40-0,65	0,05-0,15
Ст3сп	0,14-0,22	0,40-0,65	0,15-0,30
Ст3Гпс	0,14-0,22	0,80-1,10	Не более 0,15
Ст3Гсп	0,14-0,20	0,80-1,10	0,15-0,30
Ст4кп	0,18-0,27	0,40-0,70	Не более 0,05
Ст4пс	0,18-0,27	0,40-0,70	0,05-0,15
Ст4сп	0,18-0,27	0,40-0,70	0,15-0,30
Ст5пс	0,28-0,37	0,50-0,80	0,05-0,15
Ст5сп	0,28-0,37	0,50-0,80	0,15-0,30
Ст5Гпс	0,22-0,30	0,80-1,20	Не более 0,15
Ст6пс	0,38-0,49	0,50-0,80	0,05-0,15
Ст6сп	0,38-0,49	0,50-0,80	0,15-0,30

 

Кипящие стали отличаются от спокойных и полуспокойных более низкой ударной вязкостью. Порог хладноломкости (температура перехода стали из вязкого состояния в хрупкое) у кипящей стали на 30 – 40 градусов выше, чем у спокойной. Поэтому применение кипящих сталей при низких температурах, или конструкций, испытывающих динамические или вибрационные нагрузки, недопустимо. Для ответственных конструкций лучше всего использовать спокойные стали. Однако кипящие стали, вследствие низкого содержания кремния имеют невысокий уровень предела текучести и упругости. Этим объясняется высокая способность кипящей стали к вытяжке при деформации. Недостатком при использовании сталей обыкновенного качества является малая прочность и малая хладностойкость.

Стали обыкновенного качества Ст2пс, Ст2кп, Ст3кп применяются для неответственных, малонагруженных элементов сварных конструкций. Стали Ст4пс, Ст5сп используются для изготовления деталей клепаных конструкций, болтов, гаек, звездочек, рычагов и других изделий.

Углеродистые качественные конструкционные стали. Стандарт ГОСТ 1050-88 «Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали» устанавливает технические условия для горячекатанного и кованного сортового проката из сталей марок 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп), 60 диаметром или толщиной до 250 мм. Качественные углеродистые стали, по ГОСТ 1050-88 маркируются буквами и цифрами. Двузначные числа показывают содержание углерода в сотых долях процента. Последующее буквенное обозначение указывает на степень раскисления: сп- спокойная сталь, пс- полуспокойная сталь, кп- кипящая сталь. При отсутствии буквенного обозначения сталь относится к спокойной стали. Содержание углерода в конструкционных углеродистых сталях составляет от 0,05 до 0,65 %, марганца - от 0,25 до 0,80 %, кремния – от 0,03 до 0,37 % в зависимости от степени раскисления и содержания углерода. По содержанию углерода стали 05кп, 08, 08кп, 10, 15, 20, 25 относятся к низкоуглеродистым сталям, 30, 35, 40, 45, 50 – к среднеуглеродистым, 55, 60 – к высокоуглеродистым.

Главное преимущество сталей качественных по ГОСТ 1050-88 - более низкое содержание серы (не более 0,035%) и фосфора (не более 0,040%). Прокат поставляется по механическим свойствам, указанным в таблице 5.2.

Содержание примесей в этих сталях меньше, чем в сталях обыкновенного качества. Массовая доля серы в сталях должна быть не более 0,040 %, фосфора – не более 0,035 %, исключая марки 11кп и 18кп.

Важной характеристикой при выборе марки стали для изготовления детали являются механические свойства и распределение их по сечению. Механические свойства проката из углеродистой качественной конструкционной стали по ГОСТ 1050-88 приведены в табл. 5.2. В соответствии с маркой стали увеличение содержания углерода приводит к росту прочности (sв и sт) и уменьшению пластичности (d и Ψ).

Таблица 5.2 - Механические свойства проката из сталей по ГОСТ 1050-88

Марка стали	Механические свойства, не менее	Число твердости НВ, не более, Для горячекатанного и кованного проката
Предел текучести, σт, Н/мм2	Временное сопротивление разрыву, σв, Н/мм2	Относительное удлинение, δ	Относительное сужение,ψ
Без термической обработки	После отжига или высокого отпуска
%
						-
						-
						-
						-
						-
						-
						-
58 (55пп)

Кроме содержания углерода, на уровень механических свойств оказывает большое влияние термическая обработка. Прокат поставляется в отожженном, высокоотпущенном, нормализованном, улучшенном состояниях.

Низкоуглеродистые кипящие стали характеризуются низким пределом текучести, так как практически не содержат кремния. Низкоуглеродистые стали типа 05кп, 08, 08кп, 10кп, 10 используются без термической обработки, они хорошо штампуются в отожженном состоянии и применяются в автомобилестроении для изготовления изделий сложной формы: крылья, двери, капот, не несущих деталей кузова.

Стали качественные по ГОСТ 1050-88 предназначены для изготовления широкой номенклатуры изделий, полуфабрикатов, металлоконструкций в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.

Стали 15, 20, 25 - цементуемые. Их можно использовать в машиностроении для деталей, подвергаемых цементации для повышения износостойкости. Данные стали применяют для изделий, работающих в условиях повышенного износа и динамических нагрузок, но не испытывающих значительных напряжений. Из цементуемых сталей 15кп, 20, 25, 20кп изготавливают болты, винты, фланцы, рычаги, шпиндели, клапаны холодильных аппаратов, змеевики и др. детали, работающие при температурах от -40 до +125 ⁰С.

Стали от 30 до 60 - улучшаемые. Детали из них подвергаются закалке с высоким отпуском, что обеспечивает им высокий комплекс механических свойств. Среднеуглеродистые стали используют для изготовления небольших деталей и узлов во всех отраслях машиностроении. Это улучшаемые стали, свойства которых повышаются после закалки с высоким отпуском. Они не склонны к отпускной хрупкости, дешевы, однако обладают низкой прокаливаемостью. Критический диаметр, при котором обеспечивается сквозная прокаливаемость, не более 12 мм. Улучшаемые стали 30, 35, 40, 45 используются для изготовления деталей средних размеров несложной конфигурации, к которым предъявляются требования повышенной прочности: ролики, валики, втулки, коленчатые валы, звездочки, оси, шайбы, шатуны, зубчатые колеса, болты и др.

Стали с содержанием углерода более 0,6% (60, 65, 70, 75, 80), а также стали такого же класса, но дополнительно содержащие повышенное количество кремния или марганца (65Г, 60С2, 70С3), применяются для изготовления рессор и пружин. При этом такие стали подвергаются термической обработке, заключающейся в закалке и среднетемпературном отпуске, после которой пружины и рессоры приобретают высокие упругие характеристики механических свойств и большой предел выносливости. Высокоуглеродистые стали применяют после нормализации, закалки, отпуска или поверхностного упрочнения. Они обладают высокой прочностью и износостойкостью, а также высоким пределом упругости.

Инструментальные стали

По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, измерительного и штампового инструмента. Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокий твердостью HRC 60-62 и износостойкостью. При резании инструмент разогревается, поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость, то есть способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы. Углеродистые и низколегированные стали имеют низкую теплостойкость, поэтому их используют при малых скоростях резания, и чаще - для ручных дереворежущих инструментов.

Углеродистые штамповые стали применяют для изготовления штампов холодного деформирования: пуансонов, матриц, деталей штамповой оснастки. Стали для штампов холодного деформирования должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, высокой прочностью и удовлетворительной вязкостью для работы при ударных нагрузках. Высокоуглеродистые инструментальные стали после закалки с низкотемпературным отпуском отвечают этим требованиям, если в процессе работы не возникают сильные температурные воздействия.

Углеродистые инструментальные стали поставляют по ГОСТ 1435-90 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали», который распространяется на прутки и полосы кованые; прутки, полосы и мотки горячекатанные (металлопродукцию) из инструментальной нелегированной углеродистой стали, а также в части норм химического состава – на слитки, заготовку, лист, ленту, проволоку. Стандарт содержит следующие марки сталей: У7, У8, У8Г, У10, У12, У13, У8А, У9А, У11А и т.д. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У и последующими цифрами, показывающими содержание углерода. Если указана одна цифра, то содержание углерода соответствует десятым долям процента. Две цифры указывают на то, что содержание углерода процент или более (таблица 5.3). Эти стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%, марганца и кремния от 0,17 до 0,33 %. В марках с повышенным содержанием марганца до 0,58 % указывается буква Г.

 

Таблица 5.3 - Содержание углерода в инструментальных углеродистых сталях

Марка стали	У7, У7А	У8, У8А	У9, У9А	У10, У10А	У11, У11А	У12, У12А	У13, У13А
Содержание углерода,%	0,65-0,74	0,75-0,84	0,85-0,94	0,95-1,04	1,05-1,14	1,15-1,24	1,25-1,35

 

Сталь, из которой изготовлена металлопродукция, по химическому составу, с учетом содержания вредных примесей, подразделяют на качественную и высококачественную. Буква «А» в конце марки указывает на то, что сталь высококачественная. Например: У10А – сталь углеродистая, инструментальная, высококачественная и содержит 1 % С. Содержание серы в качественных сталях не более 0,028%, фосфора до 0,03%. В высококачественных сталях (с буквой А), соответственно, не более 0,018%S и 0,025%Р.

По состоянию материала металлопродукцию изготавливают без термической обработки; термически обработанной – Т; нагартованной – Н. В технических требованиях указана твердость обработанной металлопродукции, а также временное сопротивление разрыву. Свойства сталей указаны в таблице 5.4.

В отожженном состоянии инструментальные стали имеют низкую твердость (НВ 150 – 180), что позволяет из них изготавливать инструмент при хорошей обрабатываемости. После закалки инструментальные нелегированные стали получают высокую твердость в поверхностном слое (HRC = 63 – 65) и сохраняют вязкую мягкую сердцевину, что является благоприятным для такого инструмента как ручные метчики, пилы, напильники, стамески, долота, зубила. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую прокаливаемость и сильное смягчение при разогреве режущей кромки более 200 °С, что ограничивает их использование. Низкая прокаливаемость не позволяет изготавливать инструмент сечением более 20 – 25 мм.

 

Таблица 5.4 - Механические свойства инструментальной нелегированной стали

Марка стали	Твердость, НВ, не менее	Временное сопротивление, Н/мм2
У7, У7А, У8, У8Г
У11, У11А, У12, У12А

 

Углеродистые стали применяются для изготовления дереворежущего инструмента: фрезы, сверла, резцы и т.д. Режущая кромка инструмента должна обладать высокой твердостью (>= 60 HRCэ) и износостойкостью. Эти свойства имеют высокоуглеродистые стали после термической обработки, закалки с низким отпуском. Например: стали У7, У7А обладают большей вязкостью, чем стали, содержащие более 0,8 % С и их используют для зубил, молотков, топоров, а также для игольной проволоки и слесарно-монтажных инструментов. Стали У8, У8А, У9, применяют для изготовления инструментов для обработки дерева, для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов, для калибров простой формы. Для штампов холодной штамповки используют стали У10, У11, У11А. Стали высоким содержанием углерода (более 1 %) У13, У13А, применяют для напильников, бритвенных ножей, лезвий, хирургических инструментов.