Тема 3.2. Углеродистые стали

Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.

3.2.1. Углеродистые стали обыкновенного качества

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщен­ность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преиму­щественно используются в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изго­товления металлоконструкций различного назначения.

Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), по­казывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добав­лением в спокойных сталях букв сп, в полуспокойных — пс, в ки­пящих — кп. Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и по­луспокойными производят стали СТ1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4. Сталь СтО по степени раскисления не разделяют, в этой стали ука­зывают только содержание углерода (С < 0,23%), серы (S < 0,06%) и фосфора (Р < 0,07%). В остальных марках регламентировано содер­жание С, Mn, Si, S, Р, а также As и Р (табл. 3.1).

Для всех сталей, кроме СтО, справедлива следующая форму­ла: С(%) и 0,07 х номер марки. Так, в стали СтЗ содержание С «0,07 х 3 * 0,21% (фактически 0,14-0,22%).

Концентрация марганца возрастает от 0,25—0,50% в стали Ст1 до 0,50—0,80% в стали Стб. Три марки стали производят с повышен­ным (0,80—1,1%) содержанием марганца, на что указывает буква Г в марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих — не более 0,05%, у полуспокойных — не более 0,15%, у спокойных — не более 0,30%.

Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости /₅₀. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпсиСтЗкпон составляет—10; —10 и 0 соответствен­но. Для этих сталей химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.

Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества пред­назначен для изготовления различных металлоконструкций, а так­же слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям от­дают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что прочность конструкции заведомо обеспечивается. На выбор стали большое влияние оказы­вают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологи­ческим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеро­дистые стали, из которых изготовляют сварные фермы, рамы и дру­гие строительные металлоконструкции.

Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно СтЗ широко применяют в сельскохозяйствен­ном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.п.).

Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодо­рожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые дета­ли из этих сталей подвергают термическому упрочнению.

3.2.2. Углеродистые качественные стали

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкно­венного качества, содержанием вредных примесей и неметалличес­ких включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и меха­ническими свойствами (табл. 3.2). Маркируют их двухзначными числами: 08,10, 15, 20,...,60, обозначающими среднее содержание углерода в сотыхдолях процента (ГОСТ 1050-88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10% С, сталь 45—0,45% С и т.д.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексами соответственно пс и кп. Кипящими про­изводят стали 08кп, Юкп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными — 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%.

ГОСТ 1050-88 гарантирует механические свойства углеродистых качественных сталей после закалки и отпуска, нагартовки или тер­мической обработки, устраняющей нагартовку, — отжига или высо­кого отпуска.

Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработ­ки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы:

• 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, изготовляемых холодной дефор­мацией и сваркой;

• цементуемые — стали 15, 20, 25. Предназначены 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 прокаливаемое™ 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.

Среднеуглеродистые стали 30,35,40,45,50,55 отличаются боль­шей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглероди­стые (см. табл. 3.2).

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысо­ких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40,45,50.