Конструкционные стали

К конструкционным сталям, из которых изготовляют самые разнообразные конструкции, детали машин для различных отраслей промышленности, предъявляют требования высоких механических свойств, технологичности в обработке (хорошая обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость) и дешевизны. Конструкционная сталь, в зависимости от условий работы деталей, должна иметь высокие прочность и пластичность (как при комнатной, так и при повышенных и низких температурах), упругость, хорошо сопротивляться ударной нагрузке, изнашиванию, усталости, хрупкому разрушению.

1.1. Конструкционные строительные стали

Для сварных и клепаных конструкций в строительстве, мостостроении, судостроении применяют углеродистые стали обыкновенного качества (при незначительных напряжениях в конструкциях) и низколегированные стали с невысоким содержанием углерода (при более высоких напряжениях). К ним предъявляют требования достаточно высоких прочности и ударной вязкости, как при обычной, так и при пониженной температурах, хорошей свариваемости.

Таблица 1. Применение углеродистых сталей обыкновенного качества

Таблица 2. Применение низколегированных сталей

1.2. Листовая сталь для холодной штамповки

Для холодной штамповки применяют преимущественно тонко­листовую сталь марки 08кп. В этой стали мало углерода (0,05— 0,11%) и кремния (0,03%), что является положительным, так как углерод и кремний снижают способность стали к вытяжке.

1.3. Цементуемые (низкоуглеродистые) стали

Цементуемые углеродистые стали. Эти стали (15,20) применяют для изготовления деталей небольших размеров, работающих на износ при малых нагрузках, когда прочность сердцевины не влияет на эксплуатационные свойства (втулки, валики, оси, шпильки и др.).

Цементуемые легированные стали целесообразно применять для тяжело нагруженных деталей и в том числе для деталей, в которых необходимо иметь высокую твердость и вязкость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевину. В легированных цементуемых сталях, несмотря на небольшое содержание углерода, благодаря значительному количеству легирующих примесей, гораздо легче получить при термической обработке более высокую прочность и вязкость сердцевины, поэтому из них изготовляют ответственные детали.

Стали хромистые (20Х), хромованадиевые (15ХФ), хромоникелевые (12ХН2). Их применяют для изготовления деталей небольших и средних размеров, работающих на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, некоторые зубчатые колеса, кулачковые муфты, поршневые пальцы и др.).

Стали хромоникелевые (12ХНЗА, 20Х2Н4А), хромомарганцетитановые (18ХГТ, 25ХГТ), хромоникельмолибденовые (18Х2Н4МА). Их применяют для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при высоких нагрузках (зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.).

1.4. Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали

Эти стали называют улучшаемыми потому, что их часто подвергают улучшению — термической обработке, заключающейся в закалке и отпуске при высоких температурах. Улучшаемые стали должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости, должны хорошо прокаливаться.

Углеродистые стали (35, 45). Эти стали дешевы, из них изготовляют детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (сталь 45).

Хромистые стали (40Х, 45Х). Благодаря высокой прочности и достаточно хорошей прокаливаемости эти стали применяют для изготовления коленчатых валов, зубчатых колес, осей, валиков, рычагов, втулок, болтов, гаек. Детали из этих сталей закаливают в масле с температуры 820—850° С. В зависимости от предъявляемых требований отпуск деталей проводят при различных температурах.

Хромистые стали с 0,001—0,005% бора (З0ХРА, 40ХР). Они имеют повышенную прочность и прокаливаемость.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН). Они имеют после термической обработки высокую прочность и пластичность и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Прочность стали придает хром, а пластичность — никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на значительно большую глубину по сравнению не только с углеродистыми, но и другими легированными сталями. Указанные стали применяют для изготовления ответственных сильно нагруженных деталей — для шестерен, валов и т. п.

Таблица 4. Применение низко и среднеуглеродистых сталей

1.5. Пружинно-рессорные стали

Таблица 5. Применение пружинно- рессорных сталей

1.6. Шарикоподшипниковые стали

Основной шарикоподшипниковой сталью является сталь ШХ15 (0,95—1,05% С; 1,30—1,65% Сr).

Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников (диаметром более 400 мм), работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А. Детали крупногабаритных подшипников (кольца, ролики), изготовляемые из стали 20Х2Н4А.

1.7. Автоматные стали

Автоматные стали: А12, А20, А30, А40Г отличаются от обыкновенных углеродистых конструкционных сталей повышенным содержанием серы и фосфора.

Характерной особенностью автоматных сталей является хорошая обрабатываемость резанием на металлорежущих станках. Это объясняется повышенным содержанием серы, которая образует большое количество включений сернистого марганца MnS, нарушающих сплошность металла. Поверхность обработанных деталей получается чистой и ровной. Стойкость режущего инструмента при обработке автоматных сталей повышается, а скорость резания допускается больше, чем при обработке обыкновенных углеродистых сталей.

1.8. Высокомарганцовистая износостойкая сталь Г13Л

Эта сталь, содержащая 1—1,4% С и 11—14% Мn и имеет высокое сопротивление износу. Характерным для нее является то, что высокая износостойкость сочетается с высокой прочностью и низкой твердостью. Сталь Г13Л применяют для трамвайных стрелок, щек камнедробилок, козырьков ковшей, черпаков и т. п.

1.9. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

К жаростойким относят стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550° С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

При высокой температуре в условиях эксплуатации в среде нагретого воздуха, в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали (газовая коррозия). На поверхности стали образуется сначала тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается и образуется окалина.

Способность стали сопротивляться окислению при высокой температуре называется жаростойкостью.

На интенсивность окисления влияет состав и строение окисной пленки. Для получения плотной (защитной) окисной пленки сталь легируют хромом, а также кремнием или алюминием. Степень жаростойкости зависит от количества находящегося в стали легирующего элемента. Так, например, сталь 15X5 с содержанием 4,5—6,0% хрома жаростойка до температуры 700° С, сталь 12X17 (17% Сг) — до 900° С, сталь 15X28 (28% Сг) — до 1100—1150° С (стали 12X17 и 15X28 являются также и нержавеющими). Еще более высокой жаростойкостью (до 1200° С) обладают сплавы на никелевой основе с хромом и алюминием, например, сплав ХН70Ю (26—29% хрома; 2,8—3,5% алюминия).

Для работы при температурах до 350—400° С применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и малолегированные).

Для работы при температуре 400—550° С применяют стали, например 15ХМ, 12Х1МФ. Предназначены главным образом для изготовления деталей котлов и турбин (например, трубы паропроводов и пароперегревателей), нагруженных сравнительно мало, но работающих весьма длительное время (до 100 000 ч).

Эти стали содержат мало хрома и поэтому обладают невысокой жаростойкостью (до 550—600° С).

Для работы при температуре 500—600° С применяют стали: высокохромистые, например 15X11МФ для лопаток паровых турбин; хромокремнистые (называемые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов моторов; сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов. Для работы при температуре 600 —750° С применяют неупрочняемые (нестареющие) и упрочняемые (стареющие). Нестареющие стали —-это, например, сталь 09Х14Н16Б, предназначаемая для труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверхвысокого давления и применяемая после закалки с 1100—1150° С (охлаждение в воде или на воздухе).

Стареющие стали — это сложнолегированные стали, например 45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов моторов, деталей трубопроводов, сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС—для лопаток газовых турбин.

Для работы при 800—1100 С применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток турбин. Эти сплавы стареющие и подвергаются такой же термической обработке (закалке и старению), как и стареющие стали аустенитного класса. Жаростойкость сплавов на никелевой основе до 1200° С.