Углеродистые стали специального назначения

Строительные стали. Строительные стали предназначены для изготовления мостов, ферм, труб газо- и нефтепроводов, и других конструкций. Строительные конструкции, как правило, сварные, поэтому необходимым требованием к данным сталям является высокая свариваемость.

Свариваемость стали определяется углеродным эквивалентом, который зависит в основном от содержания углерода. Для обеспечения хорошей свариваемости содержание углерода в строительных сталях не должно превышать 0,18 %. В качестве строительных наиболее часто используются углеродистые стали обыкновенного качества Ст1, Ст2, Ст3, Ст5, по степени раскисления – спокойные, полуспокойные. Для конструкций неответственного назначения используют кипящие стали обыкновенного качества.

Строительные стали не подвергают термической обработке у потребителя, а их конечные свойства обеспечивают на металургическом заводе. Эти стали поставляют в горячекатаном, реже в нормализованном состоянии. Для получения более высоких прочностных характеристик стали должны содержать повышенное количество Mn и Si, до 1 – 1,25 % каждого элемента. Чем выше предел текучести, являющийся расчетной характеристикой конструкций, тем меньше сечение и, соответственно, масса конструкций.

Строительные низкоуглеродистые стали используют там, где требуется высокая жесткость конструкций. Их применяют для армирования железобетонных изделий. К недостаткам этих сталей относят низкую хладностойкость, характеристикой которой служит температура перехода из вязкого состояния в хрупкое. Эксплуатация конструкций в условиях Сибири и районах Крайнего Севера приводит к снижению их механических характеристик, что требует большой массы конструкций.Повышение прочности, хладностойкости и надежности при эксплуатации является проблемой, решаемой с помощью легирования сталей.

Стали для глубокой вытяжки. До 50 процентов массы легковых автомобилей содержат детали, полученные методом глубокой вытяжки или штамповки из тонколистовой стали. Глубокая вытяжка применяется также для изделий легкой пищевой промышленности (консервные банки, крышки, эмалированная посуда и т.д.). Основным требованием, предъявляемым к тонколистовой стали для пищевой и автомобильной промышленности, является способность к глубокой вытяжке, что свойственно сталям с низким содержанием углерода.

Малоуглеродистые стали, согласно ГОСТ 9045 – 80, должны иметь содержание углерода 0,08 – 0,12 %. Превышение этого предела увеличивает прочность, но понижает пластичность, столь необходимую для вытяжки. Содержание углерода ниже 0,06 % нежелательно, в связи с тем, что при этом увеличивается склонность стали к газонасыщению, к росту зерна при нагреве. Сталь должна содержать 0,3 – 0,45 % марганца. Недостаток содержания марганца ухудшает условия горячей прокатки из-за образования трещин на кромках, а повышенное его содержание понижает эффективность очистки сталей от вредных примесей при выплавке.

Для глубокой вытяжки используют малопрочные, высокопластичные стали 05, 08, 10 всех видов раскисления. Их поставляют в виде тонкого холоднокатанного листа в соответствии с ГОСТ 9045-80. Широко применяют кипящие стали 05кп, 08кп, 10кп. Способность этих сталей хорошо штамповаться обусловлена низким содержанием углерода и почти полным отсутствием кремния. Кипящая сталь склонна к деформационному старению (упрочнению) из-за повышенной газонасыщенности. В связи с этим используют сталь, легированную ванадием или алюминием: 08Фкп, 08Юкп. Перед штамповкой листы имеют σ_В = 260 – 360 МПа, d = 42 – 50%, HRB<=46 ед. и отношение sт/sв = 0,6. Чем ниже это отношение, тем пластичнее материал, а увеличение значения более 0,75 ухудшает штампуемость

 

Чугуны

Чугуны, как конструкционные материалы (кроме легированных и высоколегированных специального назначения), подразделяются на: серые, ковкие и высокопрочные.

Обозначение серых чугунов включает буквы СЧ и далее двузначная цифра, соответствующая минимальному значению предела прочности при растяжении для данной марки, выраженная в кГ/мм² (таблица 5.5).

 

Таблица 5.5 - Марки и механические свойства серого чугуна

Марки чугуна	Предел прочности при растяжении, σв, МПа (кГ/мм2), не менее	Твердость, НВ
СЧ 10	100 (10)	120-205
СЧ 15	150 (15)	130-241
СЧ 20	200 (20)	143-255
СЧ 25	250 (25)	156-260
СЧ 30	300 (30)	163-270
СЧ 35	350 (35)	179-280
СЧ 40	400 (40)	207-285
СЧ 45	450 (45)	229-289

 

Серые чугуны СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20 применяют для литья строительных колонн, фундаментных плит, малонагруженных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственной техники. Марки СЧ 25 - СЧ 45 используют для отливок ответственного назначения, в том числе станин станков, деталей двигателей внутреннего сгорания и др.

Для получения высших марок серого чугуна применяют модифицирование чугуна силикокальцием, ферросилицием, что измельчает строение графитных включений, уменьшает склонность к хрупкому разрушению, повышает весь комплекс механических свойств.

Обозначение ковких чугунов включает буквы КЧ, двузначную цифру, аналогично обозначению серого чугуна, и через тире одну или две цифры, соответствующие минимальному значению относительного удлинения при испытании на растяжение (таблица 5.6).

 

Таблица 5.6. Марки и механические свойства ковкого чугуна

Марки чугуна	Предел прочности при растяжении, σв, МПа (кГ/мм2), не менее	Относительное удлинение, δ,%, не менее	Твердость, НВ, не более
КЧ 33-8	330 (33)
КЧ 37-12	370 (37)
КЧ 50-4	500 (50)
КЧ 60-3	600 (60)

 

Для получения ковкого чугуна используют исходный белый чугун специального химического состава с содержанием: углерода - 2,2 - 3,0%, кремния 0,7 - 1,5%, марганца - 0,3 - 1,0% и хрома - до 0,08%.

Технология отжига отливок для получения ковкого чугуна предусматривает упаковку их в металлические ящики с песком, медленный нагрев в печи упакованных таким образом отливок до температур 900 - 1050 °С, длительную выдержку при этих температурах (15 - 20 ч), медленное охлаждение от 900 - 1050 °С до 720 °С, повторную изотермическую выдержку при этой температуре 10 - 15ч с дальнейшим охлаждением отливок в ящиках с песком до комнатной температуры (рисунок 5.1).

Нагрев до температуры первой стадии графитизации (900 - 1050°С) необходим для получения аустенито-цементитного фазового состояния чугуна (схема в) и повышения скорости диффузионных процессов, лежащих в основе графитизации. Как было показано выше, нагрев отливок проводится с весьма малыми скоростями (10 - 30°/ч). Выдержка при этих температурах в течение 15 - 20 ч приводит к полной графитизации всего цементита в чугуне. По окончании высокотемпературной выдержки оказывается аустенитная основа и относительно равномерно распределенные по объему компактные достаточно крупные слаборазветвленные графитные включения (схема г).

Рисунок 5.1. График режима отжига на ковкий чугун (а) и изменение структуры по ходу процесса: б - исходная структура доэвтектического белого чугуна; в - структура белого чугуна при высокой температуре (900 - 1050 ˚С) до начала процесса графитизации (в начальном этапе выдержки); г - по окончании выдержки при температуре 900 - 1050 ˚С; д - после окончания второй стадии графитизации (конечная структура)

Медленное охлаждение от 900 - 1050 °С до 720 °С со скоростью 20 - 30°/ч вызывает развитие промежуточной стадии графитизации (2 на рисунке 5.1), которая заключается в графитизации вторичного цементита, выделяющегося из аустенита при охлаждении в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

Вторая низкотемпературная выдержка при температуре 720 °С в течение 10 - 15 ч обеспечивает развитие второй стадии графитизации, при которой графитизируется эвтектоидный цементит. При этом графитизация происходит путем образования многочисленных мелких включений по всей бывшей аустенитной основе, в связи с чем по окончании второй стадии графитизации структура чугуна отличается от предыдущего этапа наличием новых мелких графитных включений наряду с крупными, образовавшимися на предыдущих стадиях графитизации (схема д). В качестве металлической матрицы в таком случае выступает феррит, поскольку он оказывается остаточной фазовой составляющей после графитизации цементита в составе перлита. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры не приводит к структурным изменениям в чугуне. Полученный по такому варианту чугун получил название ферритного ковкого чугуна.

Для получения ковкого чугуна на перлитной основе достаточно в основном режиме отжига лишь отменить вторую стадию графитизации, продолжая медленное охлаждение отливок с печью, либо в ящиках с песком непрерывно от 900 - 1050 °С до комнатной температуры. Это повышает твердость, износостойкость чугуна. Например, твердость ковкого чугуна на ферритной основе составляет 120 НВ, тогда как перлитный ковкий чугун может иметь твердость в два раза выше (240 НВ). Однако чугун на перлитной основе характеризуется пониженной пластичностью. Поэтому на практике часто реализуют вариант технологии отжига для получения структуры феррито-перлитного ковкого чугуна. Такая структура может быть получена не при полном исключении второй стадии графитизации, а при ее осуществлении с неполной длительностью выдержки при температуре 720 °С (3 - 5 ч вместо 10 - 15 ч по основному режиму Такой чугун имеет твердость, ниже чем у перлитного, однако характеризуется более высокой пластичностью.

Ковкий чугун применяют для изготовления муфт, фланцев, гаек, втулок, тонкостенных корпусов редукторов и других деталей, для которых есть опасность хрупкого разрушения при эксплуатации.

Как уже указывалось выше, высокопрочный чугун получают путем модифицирования серого чугуна магнием. Марки высокопрочного чугуна и его механические свойства приведены в таблице 5.7.

Таблица 5.7 - Марки и механические свойства высокопрочного чугуна

Марки чугуна	Предел прочности при растяжении, σв, МПа (кГ/мм2), не менее	Относительное удлинение, δ,%, не менее	Твердость, НВ
ВЧ 35	350 (35)		140-170
ВЧ 40	400 (40)		140-202
ВЧ 45	450 (45)		140-225
ВЧ 50	500 (50)		153-245
ВЧ 60	600 (60)		192-277
ВЧ 70	700 (70)		228-302
ВЧ 80	800 (80)		248-351
ВЧ 100	1000 (100)		270-360

 

Высокопрочные чугуны используются часто взамен сталей для деталей ответственного назначения, работающих в условиях больших статических и динамических нагрузок, например, для коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания автомобилей, тракторов, а также для деталей, испытывающих многократные циклические тепловые нагрузки (например, конфорки электроплиток).

 

 

Глава 6

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ