Конструкционные легированные стали.

Конструкционная сталь — легированная или углеродистая сталь, предназначенная для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами. Например, ШХ15 — специализированный материал для подшипников.

По форме, размерам и предельным отклонениям металлопродукция соответствует требованиям:

прокат круглый (круг сталь 40х) — ГОСТ 2590-88, ГОСТ 7417;
прокат квадратный — ГОСТ 2591-88, ГОСТ 8559;
прокат шестигранный — ГОСТ 2879-88, ГОСТ 8560;
прутки кованые квадратные и круглые — ГОСТ 1113-88;
полосы — ГОСТ 103-76, ГОСТ 4405;
профили для косых шайб: ГОСТ 5157;
со специальной отделкой поверхности — ГОСТ 14955.

Конструкционная легированная сталь

Нормативный документ: качественная конструкционная легированная сталь изготовляется согласно ГОСТ 4543-71.

Легированная сталь — сталь, в которую в процессе легирования в определенных количествах вводят специальные элементы, обеспечивающие требуемые свойства. Такие элементы называют легирующими. Они могут повышать прочность и коррозионную стойкость стали и снижать опасность ее хрупкого разрушения.

Для легирования стали используются следующие химические элементы: марганец (Mn) — Г; кремний (Si) — С; хром (Cr) — Х; никель (Ni) — Н; медь (Cu) — Д; азот (N) — А; ванадий (V) — Ф; ниобий (Nb) — Б; вольфрам (W) — В; селен (Se) — Е; кобальт (Co) — К; бериллий (Be) — Л; молибден (Mo) — М; бор (B) — Р; титан (Ti) — Т; алюминий (Al) — Ю.

Классификация конструкционной легированной стали

По отношения общей массы легирующих элементов к массе стали:

сталь высоколегированная — более 10%;
сталь среднелегированная — более 2,5-10%;
сталь низколегированная — до 2,5%.

В зависимости от основных легирующих элементов:

хромистая;
марганцовистая;
хромомарганцовая;
хромокремнистая;
хромомолибденовая;
хромомолибденованадиевая;
хромованадиевая;
никельмолибденовая;
хромоникелевая;
хромоникелевая с бором;
хромокремнемарганцовая;
хромокремнемарганцовоникелевая;
хромомарганцовоникелевая;
хромомарганцовоникелевая с титаном и бором;
хромоникельмолибденовая;
хромоникельмолибденованадиевая;
хромоникельванадиевая;
хромоалюминиевая;
хромоалюминиевая с молибденом;
хромомарганцовоникелевая с молибденом;
хромомарганцовоникелевая с молибденом и титаном.

В зависимости от хим. состава и свойств:

качественная;
высококачественная — А;
особо высококачественная (сталь электрошлакового переплава) — Ш.(например ШХ15)

По видам обработки:

прокат горячекатаный и кованый (в том числе с обточенной или ободранной поверхностью);
калиброванный;
со специальной отделкой поверхности.

По качеству поверхности:

1 группа;
2 группа;
3 группа.

По состоянию материала:

без термической обработки;
термически обработанный — Т;
нагартованный — Н.

Марки конструкционной легированной стали

Марки стали: 15Х, 20Х, 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Г, 12ХН, 20ХН, 40ХН, 14ХГН, 19ХГН, 20ХГНМ, 30ХМ.

Заменители некоторых марок стали:

20Х — 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ;
30ХГСА — 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА, 35ХГСА;
40Х — 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС.

Обозначение марок конструкционной легированной стали: две первые цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв указывают содержание легирующего элемента в целых единицах.

Применение конструкционной легированной стали

Марка стали	Область применения
60С2(А)	Рессоры из полосовой стали толщиной 3-16мм и пружинной ленты толщиной 0,08-3мм; витые пружины из проволоки диаметром 3-16мм.
70СЗА	Тяжелонагруженные пружины ответственного назначения. Сталь склонна к графитизации.
50ХГ(А)	Рессоры из полосовой стали толщиной 3-18мм.
50ХФА(ХГФА)	Ответственные пружины и рессоры, работающие при повышенной температуре (до 300°С), или подвергаемые многократным переменным нагрузкам.
60C2XA	Большие высоконагруженные пружины и рессоры ответственного назначения.
60C2H2A(C2BA)	Ответственные высоконагруженные пружины и рессоры из калиброванной стали и пружинной ленты.
20Х	Кулачковые муфты, втулки, шпиндели, направляющие планки, плунжеры, оправки, копиры, шлицевые валики и др.
40Х	Зубчатые колеса, шпиндели и валы в подшипниках качения, червячные валы и др.
45Х, 50Х	Зубчатые колеса, шпиндели, валы в подшипниках качения, червячные и шлицевые валы, и др. детали, работающие на средних скоростях при небольшом давлении.
38ХА	Зубчатые колеса, работающие на средних скоростях при средних давлениях.
45Г2, 50Г2	Крупные малонагруженные детали: валы, зубчатые колеса тяжелых станков и т.п.
18ХГТ	Детали, работающие на больших скоростях при высоких давлениях и нагрузках.
20ХГР	Тяжелонагруженные детали, работающие при больших скоростях и нагрузках.
15ХФ	Некрупные детали, подвергаемые цементации и закалке с низким отпуском.
40ХС	Мелкие детали высокой прочности.
40ХФА	Ответственные высокопрочные детали, подвергаемые закалке и высокому отпуску; средние и мелкие детали сложной формы, работающих в условиях износа; ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках.
35ХМ	Валы, детали турбин и крепеж, работающие при повышенной температуре.

Свариваемость: cварка конструкционных легированных сталей несколько затруднена из-за склонности к закалке околошовной зоны и образованию в ней хрупких структур (требуется специальная технология сварки).

Легирующие добавки к стали

В легированные стали добавлены химические элементы, принадлежащие к разным группам таблицы Менделеева.

Легирующие металлы в русскоязычной маркировке легированных сталей обозначаются при помощи кириллицы. С их помощью меняют качества материала:

Никель (Н)
. Увеличение теплоемкости, вязкости, пластичности, при параллельном снижении хрупкости, что упрощает обработку металла давлением.
Хром (Х)
. Повышение твердости, сопротивляемости ударам. За счет добавки обеспечивается хорошая защита от ржавчины – именно по этой причине хрома всегда много в нержавеющей стали.
Ниобий (Б)
. Увеличение сопротивляемости воздействию кислот.
Кобальт (К)
. Улучшение таких показателей, как стойкость к ударам и высоким температурам.
Медь (Д)
. Повышение прочности легированной стали, правда, при использовании этого легирующего элемента немного снижается уровень вязкости. Данный компонент обычно вносят для изготовления строительной стали.
Титан (Т) и цирконий (Ц)
. Сокращение уровня зернистости, так как за счет этих металлов обеспечивается однородная структура, снижается вероятность растрескивания.
Вольфрам (В) и молибден (М)
. Увеличение прочности при термической обработке, сопротивления коррозии.
Алюминий (Ю)
. Повышение стойкости к появлению окалины во время воздействия высокой температуры.
Ванадий (Ф)
. Улучшение структуры, обеспечение более высокой жаропрочности.

Также в легированные стали вносят неметаллические добавки

Марганец (Г)
. Снижение вредного влияния серы, фосфора и кислорода.
Кремний (С)
. Повышение прочности при возможности сохранить вязкость.
Селен (Е)
. Увеличение текучести, облегчение обработки механическим способом.
Бор (Р)
. Улучшение микроструктуры, повышение показателей прокаливаемости.
Азот (А)
. Обеспечение улучшенных механических свойств – этот компонент добавляют в высоколегированные стали.

Сталь низколегированная качественная конструкционная

Нормативный документ: качественная конструкционная низколегированная сталь изготовляется согласно ГОСТ 19281-89.

Сталь Низколегированная — легированная сталь с содержанием общей массы легирующих элементов менее 2,5% от общей массы стали.

Марки стали низколегированной

Марки стали: 09Г2, 09Г2С, 0ХСНД, 17Г1С, 16Г2АФ, 10ХНДП, 15ХНДП, 0ХСНД, 15ХСНД и т.д.

Сталь низколегированная марок 10ХНДП, 15ХНДП, 0ХСНД, 15ХСНД является атмосферно коррозионно-стойкой (АКС).

Заменители некоторых марок стали:

09Г2С — 09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т, 10Г2С;
10ХСНД — 16ГАФ.

Применение стали низколегированной

Низколегированная сталь применяется для изготовления корпусов вагонов железнодорожных, метро, трамвая, несущих конструкций локомотивов, сельскохозяйственных и других полевых машин и инженерных сооружений, работающих в условиях переменных динамических нагрузок и сезонных и суточных теплосмен.

Свариваемость: сталь низколегированная сваривается без ограничений.

Сварка сплавов

Легированные сплавы гибкие, из них делают сложные механизмы путем сварки. Благодаря разному содержанию примесей, каждый тип легированных сплавов обладает своей спецификой.

Интересное: При какой температуре плавится свинец

Низколегированных

Эти металлы часто подвергаются закаливанию, они хорошо свариваются, но их швы плохо переносят чрезмерное напряжение. Необходимо предварительно подогреть сплав и медленно его охладить, чтобы не образовались холодные трещины.

Среднелегированных

Легированные стали данного типа получаются надежными при применении компонентов из вольфрама, молибдена, ванадия. Необходимо подобрать электроды с этими же веществами, но не такой концентрации. Сплав требует защиты от перегрева, окислительных процессов, водородной болезни.

Углеродистая качественная конструкционная сталь

Нормативный документ: качественная конструкционная углеродистая сталь изготовляется согласно ГОСТ 1050-88, ГОСТ 1051-73.

Углеродистая сталь — сталь, не имеющая в своем составе легирующих элементов, но содержащая углерод в различной концентрации: до 0,25% — низкоуглеродистая сталь, 0,24-0,6% среднеуглеродистая сталь, более 0,6 — высокоуглеродистая сталь.

Классификация углеродистых сталей

По качеству

обыкновенного качества;
повышенного качества;
качественная.

По назначению сталь обыкновенного качества:

А — поставляется по механическим свойствам, применяется в изделиях, подвергающихся горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства;
Б — поставляется по химическому составу, применяется для деталей, подвергающихся обработке, которая может изменить регламентируемые механические свойства, при этом их уровень кроме условий обработки определяется хим. составом;
В — поставляется по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке.

По степени раскисления:

кипящая — кп;
полуспокойная — пс;
спокойная сталь без термической обработки — сп.

По химическому составу для качественной стали:

I — с нормальным содержанием марганца ( Mn 0,80%);
II — с повышенным содержанием марганца (Mn 1,2%) — Г.

Марки качественной конструкционной углеродистой стали

Углеродистая сталь обыкновенного качества: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Стбпс, Стбсп.

Углеродистая качественная сталь: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60 — машинная сталь; А12, А20, А30 — автоматная сталь.

Обозначение марки стали: «Ст» — сталь, следующие за ней цифры — условный номер марки в зависимости от химического состава, затем указывается степень раскисления («кп», «пс», «сп»).

Заменители некоторых марок стали:

Ст20 — Ст15, 25;
Ст35 — Ст30, 40, 35Г;
Ст45 — 40Х, Ст50, 50Г2.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Марка стали	Область применения
08кп, 10	Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж. Цементуемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины.
15, 20	Малонагруженные детали: валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни. Тонкие детали, работающие на истирание: рычаги, крюки, траверерсы, вкладыши, болты, стяжки и др.
30, 35	Детали, испытывающие небольшие напряжения: оси, шпиндели, звездочки, тяги валы и т.п.
20к	Котельная сталь.
40, 45	Детали с повышенной прочностью: коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики и др.
50, 55	Зубчатые колеса, прокатные валки, штоки, бандажи, валы, малонагруженные пружины и др.
60	Детали с высокими прочностными и упругими свойствами: прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов.
А12, А20, А30	Неответственные детали массового производства, изготавливаемые на станках-автоматах.

Свариваемость: хорошая для котельных сталей и сталей марок Ст08-Ст35; затрудненная для стали Ст45; автоматные стали не применяются для сварки.

Чем легирование отличается от примесей?

Неметаллические включения играют ключевую роль во многих важных свойствах стали, влияя как на обработку, так и на применение стальных изделий. Вопросы исследования динамики образования примесей обеспечивает получение необходимых свойств детали.

При легировании объём добавок вводится в расплав строго дозированно, в то время как доза имеющихся примесей определяется случайно и зависит от технологии проведения металлургических процессов, а также от состава руды и шлаков. Кроме того, большинство примесей в стали, как правило, ухудшает её эксплуатационные показатели.

Теплоустойчивая качественная конструкционная сталь ГОСТ 20072-74

Нормативный документ: качественная конструкционная легированная сталь теплоустойчивая изготовляется согласно ГОСТ 20072-74.

Классификация теплоустойчивой стали

По видам обработки сталь подразделяют:

горячекатаная;
кованая;
калиброванная;
калиброванная шлифованная.

По состоянию материала:

без термической обработки;
термически обработанная — Т;
нагартованная — Н (для калиброванной стали).

По назначению:

а — для горячей обработки давлением;
б — для холодной механической обработки (обточки, строжки, фрезерования и другой обработки по всей поверхности);
в — для холодного волочения (подкат).

Марки теплоустойчивой конструкционной стали

Марки стали: 12МХ, 12Х1МФ, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20Х1М1В1ТР, 20Х1М1В1БР, 20Х1МФ, 18Х3МВ, 20Х3МВФ, 15×5, 15Х5М, 15ХВФ, 12Х8ВФ.

Обозначение марок стали: наименование состоит из обозначения элементов и следующих за ними цифр, указывающих среднюю массовую долю легирующего элемента в целых единицах, кроме элементов, присутствующих в стали в малых количествах. Цифры перед буквенным обозначением указывают среднюю или максимальную массовую долю углерода и стали в сотых долях процента. Сталь, полученную методом электрошлакового переплава, обозначают через тире в конце наименования марки буквой — Ш.

Применение теплоустойчивой конструкционной стали

Изготовление деталей, работающих в нагруженном состоянии при температуре до 6000С в течение длительного времени.

Свариваемость: ограниченно или трудносвариваемая.

Процесс легирования металла

В большинстве случаев легирующие элементы стали добавляются к технически чистому металлу. В состоянии расплава введение добавок происходит особенно быстро, поэтому большинство марок легированных сталей и сплавов получают путем плавления основного металла, например железа, алюминия или меди, с последующим добавлением легирующих компонентов.

Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать загрязнения посторонними примесями. Фактически рафинирование и легирование выполняют одновременно. Именно таким образом в сталеплавильном производстве производят десульфуризацию жидкого доменного чугуна в ковше, обезуглероживание чугуна во время его преобразования в сталь, удаление кислорода из жидкой стали в вакуумном дегазаторе и, наконец, добавление необходимого количества легирующих добавок в исходный расплав.

Самые большие объёмы сплавов плавятся на воздухе, а для защиты металла от окисления используется шлак. При большом объёме легирующих элементов процесс производится непосредственно в ковше или в вакуумной камере. Это позволяет тщательно контролировать состав и сводит к минимуму окисление металла.

Большинство легирующих элементов располагается в исходной загрузке, а плавление происходит с помощью электрического и индукционного нагрева, либо путём плавления электрической дугой. Индукционная плавка проводится в тигле, а при электродуговом плавлении расплавленные капли металла стекают с электрода на охлаждаемую водой поверхность и немедленно затвердевают.

Шарикоподшипниковая качественная конструкционная сталь ГОСТ 801-78

Нормативный документ: качественная конструкционная легированная сталь шарикоподшипниковая изготовляется согласно ГОСТ 801-78.

Классификация шарикоподшипниковой стали

По требованию к качеству поверхности и в зависимости от дальнейшей обработки:

для холодной механической обработки — ОХ;
для горячей обработки давлением — ОГ;
для холодной высадки — ХВ;
для холодной штамповки — ХШ.

По форме, размерам и предельным отклонениям:

горячекатаный круг сталь 40х — ГОСТ 2590-88;
горячекатаный квадрат — ГОСТ 2591-88;
заготовка квадратная — по действующим нормативным документам;
горячекатаная полоса — ГОСТ 103-76;
калиброванный круг квалитета h11 с дополнительными размерами — ГОСТ 7417-75;
круг со специальной отделкой поверхности квалитета h11 групп В и Г — ГОСТ 14955-77.

По состоянию материала:

без термической обработки;
термически обработанная.

Марки шарикоподшипниковой конструкционной стали

Марки стали: ШХ15, ШХ4, ШХ15 СГ, ШХ20 СГ.

Обозначение марок стали: Ш — подшипниковая, Х — легированная хромом, цифра — содержание хрома, СГ — легированная кремнием и марганцем. Например, сталь шарикоподшипниковая и рессорно-пружинная ШХ15.

Заменители некоторых марок стали:

ШХ15 — ШХ9, ШХ12, ШХ15 СГ;
ШХ15 СГ — ХВГ, ШХ15, ХС, ХВСГ.

Применение шарикоподшипниковой стали

Изготовление деталей, работающих под воздействием сосредоточенного и переменного напряжений, возникающих в зоне контакта шариков и роликов с беговыми дорожками колец подшипников качения. Особой популярностью пользуется ШХ15.

Свариваемость: сваривается способом КТС.