Рубрика: Металлы и сплавы
Конструкционные стали — основа машиностроения: из них делают валы, оси, шестерни, крепёж, корпуса, рычаги и сотни других деталей, которые несут нагрузку. В чертеже марка стали указывается одной строкой, но за ней стоит целый набор решений: как деталь будет обрабатываться, какую термообработку выдержит, как поведёт себя под ударом и при износе. Ниже — практический обзор основных групп конструкционных сталей, их маркировки и типичных областей применения.
Конструкционными называют стали, предназначенные для изготовления деталей машин, механизмов и строительных конструкций. От инструментальных их отличает прежде всего содержание углерода: у большинства конструкционных марок оно не превышает 0,6–0,7 %. Такой состав обеспечивает сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости, без которого деталь под переменной нагрузкой быстро разрушается.
Ключевые требования к конструкционной стали можно сформулировать так:
Найти марку, которая одинаково хороша по всем пунктам, невозможно, поэтому выбор всегда компромисс между механическими свойствами, стоимостью и технологией изготовления.
Отечественная система маркировки удобна тем, что состав стали «зашит» в её название. Понимание нескольких правил позволяет по одной строке в чертеже оценить, с каким материалом предстоит работать.
Углеродистые стали обыкновенного качества по ГОСТ 380 обозначаются буквами «Ст» и номером: Ст3, Ст5. Номер условный и с содержанием углерода связан лишь косвенно. Буквы «кп», «пс», «сп» указывают на степень раскисления — кипящая, полуспокойная, спокойная. Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050 маркируются двузначным числом, равным содержанию углерода в сотых долях процента: сталь 20 содержит около 0,20 % углерода, сталь 45 — около 0,45 %.
В легированных сталях по ГОСТ 4543 первые цифры также обозначают углерод в сотых долях процента, а буквы — легирующие элементы. Цифра после буквы показывает примерное содержание элемента в процентах; если цифры нет, элемента около 1 % или меньше. Основные обозначения:
| Буква | Элемент | Основное влияние на свойства |
|---|---|---|
| Х | Хром | Прокаливаемость, твёрдость, износостойкость |
| Н | Никель | Вязкость, хладостойкость, прокаливаемость |
| М | Молибден | Снижение отпускной хрупкости, теплостойкость |
| Г | Марганец | Прочность, прокаливаемость, удешевление легирования |
| С | Кремний | Упругость, прочность феррита |
| Т | Титан | Измельчение зерна, связывание углерода |
| Ф | Ванадий | Мелкое зерно, сопротивление перегреву |
| Ю | Алюминий | Раскисление, азотируемость |
| Р | Бор | Резкое повышение прокаливаемости при малых добавках |
Например, 40ХН2МА — это сталь с 0,40 % углерода, около 1 % хрома, около 2 % никеля, до 1 % молибдена. Буква «А» в конце означает высококачественную сталь с пониженным содержанием серы и фосфора. Буква «А» в начале марки (А12, А40Г) указывает на автоматную сталь с повышенной серой для лучшей обрабатываемости.
Углеродистые стали — самый массовый и доступный материал. Их свойства определяются в первую очередь содержанием углерода: с его ростом увеличиваются прочность и твёрдость, но падают пластичность, вязкость и свариваемость.
Стали с содержанием углерода до 0,25 % хорошо свариваются, штампуются, гнутся и подходят для деталей с умеренными нагрузками. Ст3 — стандартный материал металлоконструкций, кронштейнов, рам, ограждений. Стали 08 и 10 применяют для глубокой вытяжки, прокладок, шайб. Сталь 20 используют для осей, пальцев, рычагов, фланцев, а также как цементуемую сталь для деталей с твёрдой поверхностью и вязкой сердцевиной, если нагрузки невелики.
Сталь 45 — пожалуй, самая распространённая марка в механообработке. Её поставляют в горячекатаном или нормализованном состоянии, она хорошо режется и после закалки с высоким отпуском (улучшения) получает уравновешенный комплекс свойств. После закалки ТВЧ поверхность достигает твёрдости 50–56 HRC при вязкой сердцевине. Из неё делают валы, шпиндели невысокой ответственности, шестерни, втулки, звёздочки, пальцы, кулачки.
Главное ограничение углеродистых сталей — низкая прокаливаемость. В сечении свыше 15–20 мм сталь 45 при закалке в воде прокаливается не насквозь, а закалка в воде сопряжена с риском коробления и трещин. Для крупных и сложных деталей это повод перейти на легированные марки.
Стали с 0,6–0,7 % углерода применяют там, где требуются упругость и износостойкость: пружины простых форм, шайбы, диски сцепления, бандажи. Обрабатываются они хуже, а свариваются плохо, поэтому сварные узлы из них не проектируют.
Улучшаемыми называют стали, которые используют после закалки и высокого отпуска при 500–650 °C. Структура сорбита отпуска даёт оптимальное сочетание прочности и вязкости, а легирование обеспечивает сквозную прокаливаемость в больших сечениях.
Сталь 40Х — рабочая лошадка машиностроения. По сравнению со сталью 45 она лучше прокаливается, закаливается в масле с меньшими деформациями и после улучшения имеет более высокий предел текучести. Применяется для валов, осей, шатунов, шестерён, болтов и шпилек ответственного назначения. Склонна к отпускной хрупкости второго рода, поэтому после высокого отпуска детали охлаждают ускоренно.
Добавка никеля резко повышает вязкость и хладостойкость, молибден подавляет отпускную хрупкость. Эти стали прокаливаются насквозь в сечениях 70–100 мм и более, поэтому идут на тяжелонагруженные валы, коленчатые валы, роторы, ответственный крепёж, детали, работающие при ударах и низких температурах. Цена выше, обработка резанием сложнее, но для критичных узлов замена на более простую марку часто недопустима.
Сталь 30ХГСА («хромансиль») сочетает высокую прочность с хорошей свариваемостью для своего уровня свойств. Её используют в силовых сварных узлах, рамах, кронштейнах, деталях гидроцилиндров. Марганец и кремний — более дешёвая альтернатива никелю, но сталь чувствительнее к перегреву.
Цементуемые (нитроцементуемые) стали содержат 0,1–0,25 % углерода. Деталь после механической обработки насыщают углеродом на глубину 0,5–2 мм, затем закаливают и подвергают низкому отпуску. В результате поверхность получает твёрдость 58–63 HRC и высокую износостойкость, а сердцевина остаётся вязкой и хорошо воспринимает ударные нагрузки.
Конструктору важно учитывать, что цементация увеличивает размеры детали и вызывает коробление, поэтому посадочные поверхности оставляют с припуском под шлифование после термообработки. Подробнее о режимах насыщения и закалки — на странице термической обработки.
Пружинные стали должны иметь высокий предел упругости и выносливость. Для этого их закаливают и отпускают при 400–500 °C на структуру троостита. Содержание углерода — 0,5–0,75 %.
Состояние поверхности для пружинных сталей критично: обезуглероживание, риски и следы окалины резко снижают усталостную прочность. Поэтому термообработку ведут в защитной атмосфере, а готовые детали часто подвергают дробеструйному упрочнению.
ШХ15 и ШХ15СГ — высокоуглеродистые хромистые стали для колец и тел качения подшипников. После закалки и низкого отпуска твёрдость составляет 60–64 HRC. Благодаря высокой однородности и чистоте по включениям ШХ15 используют и вне подшипников: для плунжеров, направляющих, роликов, деталей топливной аппаратуры, калибров.
38Х2МЮА — классическая азотируемая сталь. Алюминий образует с азотом очень твёрдые нитриды, и поверхность после азотирования достигает 1000–1100 HV на глубине 0,3–0,6 мм. Деформации при азотировании минимальны, поэтому сталь применяют для прецизионных шпинделей, гильз, плунжерных пар, червяков.
А12, А20, А40Г, АС40 содержат повышенное количество серы или свинца, что облегчает стружкодробление и позволяет обрабатывать детали на высоких скоростях. Их используют для массового крепежа, втулок, штуцеров. Обратная сторона — пониженная вязкость и анизотропия свойств, поэтому для ответственных деталей они не подходят.
09Г2С, 10ХСНД, 17Г1С обладают повышенной прочностью и хорошей свариваемостью, сохраняют вязкость при отрицательных температурах. Применяются для сварных рам, металлоконструкций, сосудов, работающих под давлением, корпусных деталей.
В таблице приведены ориентировочные значения после типовой термообработки. Конкретные свойства зависят от сечения, режима и состояния поставки, поэтому для расчётов следует опираться на стандарт и сертификат на металл.
| Марка | Группа | Типовая обработка | Предел прочности, МПа | Типичные детали |
|---|---|---|---|---|
| Ст3сп | Обыкновенного качества | Без термообработки | 370–480 | Рамы, кронштейны, сварные конструкции |
| 20 | Качественная углеродистая | Нормализация или цементация | 410–500 | Оси, пальцы, фланцы, втулки |
| 45 | Качественная углеродистая | Улучшение, закалка ТВЧ | 600–800 | Валы, шестерни, звёздочки |
| 40Х | Легированная улучшаемая | Улучшение, закалка ТВЧ | 800–1000 | Валы, шатуны, ответственный крепёж |
| 40ХН2МА | Легированная улучшаемая | Улучшение | 1000–1100 | Тяжелонагруженные валы, роторы |
| 18ХГТ | Цементуемая | Цементация, закалка, низкий отпуск | до 1000 в сердцевине | Зубчатые колёса, валы-шестерни |
| 65Г | Пружинная | Закалка, средний отпуск | 1300–1500 | Плоские пружины, шайбы, ножи |
| ШХ15 | Подшипниковая | Закалка, низкий отпуск | твёрдость 60–64 HRC | Ролики, плунжеры, направляющие |
Выбор стали начинается не со справочника, а с анализа условий работы. Последовательность рассуждений обычно такая:
Обрабатываемость резанием зависит от марки и состояния поставки. Низкоуглеродистые стали в отожжённом состоянии вязкие и склонны к налипанию на резец, что ухудшает шероховатость. Среднеуглеродистые стали в нормализованном состоянии режутся лучше всего. Легированные стали после улучшения до 28–32 HRC обрабатываются твердосплавным инструментом без особых сложностей, а детали после закалки на высокую твёрдость доводят шлифованием.
Типичный технологический маршрут ответственной детали из легированной стали включает несколько этапов:
черновое точение, улучшение, чистовое точение и фрезерование, закалка ТВЧ или цементация, шлифование, контроль твёрдости и геометрии
Порядок операций выбирают так, чтобы деформации от термообработки снимались последующей обработкой, а финишные размеры получались уже на закалённом материале. Именно поэтому на чертеже важно указывать не только марку стали, но и требуемую твёрдость, глубину упрочнённого слоя и зоны, которые подлежат закалке. На нашем производстве изготавливают детали из всех перечисленных групп сталей с полным циклом — от токарной обработки до термообработки и шлифования.
Конструкционные стали различаются не столько «качеством», сколько назначением. Углеродистые марки дёшевы и технологичны, но ограничены по сечению и прокаливаемости. Легированные улучшаемые стали обеспечивают прочность и вязкость в крупных деталях. Цементуемые и азотируемые позволяют получить твёрдую износостойкую поверхность при вязкой сердцевине. Пружинные стали рассчитаны на упругую работу и усталостные нагрузки.
Правильный выбор марки — это согласование условий эксплуатации, геометрии детали и технологии изготовления. Если у вас есть чертёж или образец и нужно подобрать материал, режим термообработки или изготовить деталь под ключ, отправьте нам заявку — технологи предложат оптимальный вариант.
