4.2 Углеродистые качественные стали

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу: содержание серы 0,04 %, фосфора0,035 - 0,040 %. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантируемым химическим составом и механическими свойствами. Маркируют их двухзначными свойствами: 08, 10, 15, 20,...,60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). Например, сталь 12 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 - 0,45 % С.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами соответственно «пс» и «кп». Кипящими производят стали 08кп, Юкп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойные - 08пс, Юпс, 15пс, 20пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,03 %); в полуспокойных его количество ограничено 0,05 - 0,17 %.

Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 до 0,80 %. Содержание азота для сталей, перерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006 %; для остальных сталей - 0,008 %.

Механические свойства зависят от толщины проката: при толщине проката более 80 мм показатели прочности и пластичности несколько ниже значений, приведенных в таблице 1.6. ГОСТ 1050-88 гарантирует механические свойства углеродистых качественных сталей после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку -отжига или высокого отпуска.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы:

1. Малопрочные и высокопластичные стали 08, 10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.

2. Цементуемые - стали 15, 20, 25 применяют без термической обработки. Предназначены они для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо. Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от - 40 до 425°С.[4]

Механические свойства каждой стали могут изменяться в широком диапазоне в зависимости от режима термической обработки, и для каждой конкретной детали, условий ее эксплуатации должен быть выбран оптимальный комплекс механических свойств и соответствующая обработка.

Методом холодной штамповки из тонкого листа изготавливаются детали для автомобилестроения. Сталь для глубокой вытяжки должна отличаться большой пластичностью. Поэтому для этих целей применяют сталь с минимальным содержанием углерода (0,08 %). Существенно также ограничение содержания и других постоянных примесей (марганца, кремния, серы, фосфора), так как все они в той или иной степени уменьшают пластичность стали. Однако это ограничение (например, по марганцу) не должно ухудшать качество стали по другим показателям.

Таблица 6 - Гарантируемые механические свойства углеродистых качественных сталей.[4]

Марка стали	С,%						HB
		МПа			%
08	0,05-0,12	330		200	33	60	131
10	0,07-0,14	340		210	31	55	143
15	0,12-0,19	380		230	27	55	149
20	0,17-0,24	420		250	25	55	163
25	0,22-0,30	460		280	23	50	170
30	0,27-0,35	500		300	21	50	179
35	0,32-0,40	540		320	20	45	207
40	0,37-0,45	580		340	19	45	217
45	0,42-0,50	610		360	16	40	229
50	0,47-0,55	640		380	14	40	241
55	0,52-0,60	660		390	13	35	255
60	0,57-0,65	690		410	12	35	255

Механические свойства каждой стали могут изменяться в широком диапазоне в зависимости от режима термической обработки, и для каждой конкретной детали, условий ее эксплуатации должен быть выбран оптимальный комплекс механических свойств и соответствующая обработка.

Методом холодной штамповки из тонкого листа изготавливаются детали для автомобилестроения. Сталь для глубокой вытяжки должна отличаться большой пластичностью. Поэтому для этих целей применяют сталь с минимальным содержанием углерода (0,08 %). Существенно также ограничение содержания и других постоянных примесей (марганца, кремния, серы, фосфора), так как все они в той или иной степени уменьшают пластичность стали. Однако это ограничение (например, по марганцу) не должно ухудшать качество стали по другим показателям.

Штампуемость в большой степени зависит от величины зерна. При мелком зерне стали обнаруживается пружинный эффект и сильно изнашиваются штампы, а при крупном зерне образуется шероховатая поверхность тина «апельсиновой корки» и разрывы. Рекомендуется сталь с зерном балла 6-8. Штампуемость также снижается при выделении по границам зерна карбидов и других фаз.

Для глубокой вытяжки применяют преимущественно низкоуглеродистую кипящую (низкокремнистую) сталь марки 08кп, содержащую 0,08 % С; 0,25-0,50 % Мn; < 0,03 % Si; < 0,03 % S; 0,02 % Р.

Чтобы сталь хорошо штамповалась она должна иметь не только определенный состав, но и соответствующую микроструктуру мелкозернистый феррит с перлитом, располагающимся в стыках нескольких ферритных зерен. Коалесценция перлита приводит к появлению по границам зерен структурно свободного цементита, что вредно для штампуемости.

Следует отметить, что листы из кипящих малоуглеродистых сталей (в том числе марки 08кп и 08Фкп) неоднородны, имеют расслоения. Сталь марки 08кп склонна к деформационному старению (за счет повышенного содержания кислорода и азота), сталь марки 08Фкп нестареющая. Поэтому наряду с кипящими сталями для этих целей применяют и спокойные или полуспокойные (успокоенные алюминием - марка 08Ю), лишенные указанных недостатков, хотя и несколько более твердые.

Перед штамповкой лист имеет низкую прочность ( < 190-210 МПа, ⁼ 260 - 360 МПа) и высокую пластичность ( = 42 - 50%), что обеспечивает хорошую штампуемость. После отжига холоднокатаный лист подвергают дрессировке, которая представляет собой небольшую пластическую деформацию (до 2%) с целью вырывания закрепленных дислокаций из атмосфер Коттрелла. Следовательно, даже склонная к деформационному старению сталь после дрессировки становится несклонной к старению.

Цементация стали осуществляется путем поверхностного насыщения изделия углеродом до эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации. Конечные свойства изделий достигаются в результате последующей термической обработки. При цементации наиболее существенно изменяются поверхностная твердость, износостойкость и усталостная прочность изделий. Глубина цементованной зоны может быть различна для разных деталей и составляет 0,3 - 2,5 мм в зависимости от размеров и назначения изделия.

Цементацию проводят в жидкой, твердой и газовой средах, наиболее развитие получила газовая цементация. Цементация является трудоемким и длительным процессом, поэтому в последнее время применяют разные способы интенсификации этого процесса: ионную цементацию, цементацию в активизированных газовых средах, в электропроводном кипящем слое, в виброкипящем слое и др.

Применение цементации для малоуглеродистой стали обеспечивает получение вязкой сердцевины.

Цементацию проводят при температурах выше точки А₃ в аустенитной области. Температурный интервал цементации составляет 920 - 980°С. Термическая обработка после цементации заключается в закалке и низкотемпературном отпуске, причем закалка может осуществляться непосредственно от температуры цементации (одинарная термическая обработка) или после охлаждения от температуры цементации (в этом случае часто применяют охлаждение на воздухе - нормализацию) и повторного нагрева до температуры несколько выше точки А₃ с последующей закалкой и отпуском (двойная термическая обработка). Закалку от температуры цементации часто применяют после подстуживания до 840 - 860 °С с целью уменьшения коробления изделий.[3]

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии - после закалки и высокого отпуска на структуру сорбита - достигаются высокая ударная вязкость, пластичность и, как следствие, малая чувствительность к концентраторам напряжений. При увеличении сечения деталей из-за несквозной прокаливаемости механические свойства таких сталей снижаются.

После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т.п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости. Для деталей, работающих на растяжение - сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и, как следствие, сквозная прокаливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается 12 мм. Для деталей (валы, оси и т.п.) испытывающих главным образом напряжения изгиба и кручения, которые максимальны на поверхности, толщина упрочнения при закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали - 30мм.

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40, 45, 50. Их применяют после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности и сопротивление износу (шейки коленчатых валов, кулачки распределительных валиков, зубья шестеренок и т.п.).

Стали 60, 65, 70, 80 и 86 обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для деталей работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д. [4]

Инструментальные стали

Основные свойства, которыми должен обладать материал для режу­щих инструментов, — износостойкость и теплостойкость.

Условия работы инструментов зависят от режимов резания и свойств обрабатываемого материала. Чем больше скорость резания, сечение сни­маемой стружки, а также прочность и вязкость обрабатываемого мате­риала, тем выше температура нагрева режущей кромки инструментов. При этих условиях работоспособность инструментов определяется высо­кой «горячей» твердостью и способностью материала сохранять ее при длительном нагреве, т.е. теплостойкостью. От теплостойкости материала, таким образом, зависит производительность резания.

По теплостойкости применяемые материалы подразделяют на следу­ющие группы:

1.углеродистые и низколегированные стали (до 200 °С);

2.вы­соколегированные быстрорежущие стали (до 600 - 640 °С);

3.твердые сплавы (до 800 - 1000 °С) и сверхтвердые материалы (до 1200 °С).[5]