Стали с повышенными технологическими свойствами

Под технологическими свойствами понимается обрабатываемость резанием, штампуемость, свариваемость, литейность (пригодность к изготовлению деталей литьем).

Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали ГОСТ 1414-75).

Обрабатываемость резанием оценивается, в основном, интенсивностью изнашивания инструмента. Она зависит от механических свойств, микроструктуры, химического состава и теплопроводности. Повышение обрабатываемости обеспечивается технологическими (термическая обработка и наклеп) и металлургическими приемами.

Повышению обрабатываемости резанием среднеуглеродистых сталей способствует нормализация, поскольку после нее формируется наилучшая для резания структура – феррит и пластинчатый перлит. Причем нормализация в этом случае проводится с высоких температур для получения крупного зерна, что также улучшает обрабатываемость из-за пониженной вязкости крупнозернистых структур. Повышение обрабатываемости низкоуглеродистых сталей достигается наклепом, который способствует получению ломкой стружки.

Стали эвтектоидного и заэвтектоидного состава лучше обрабатываются резанием, если их структура представляет собой зернистый перлит. Поэтому они перед резанием подвергаются изотермическому или маятниковому отжигу на зернистый перлит.

Однако наибольший эффект для повышения обрабатываемости достигается металлургическим путем (изменением состава). Для этой цели разработана группа автоматных сталей – низкоуглеродистых сталей (%С от 0,07% у А22, до 0,45% у А40) со специально вводимыми присадками серы, свинца, кальция, фосфора, селена.

По химическому составу автоматные стали разделяют на углеродистые сернистые; углеродистые и легированные свинецсодержащие; углеродистые и легированные кальцийсодержащие; легированные кальцийсвинецсодержащие.

Решающую роль для повышения обрабатываемости резанием у автоматных сталей играют включения сульфидов свинца и сложных оксидов, в которые входит СаО. Под влиянием теплоты, выделяющейся в зоне резания, включения размягчаются и выполняют роль смазочных материалов. Чрезмерный разогрев при высоких скоростях резания сопровождается испарением свинца и снижением стойкости инструмента. Поэтому свинецсодержащие стали рекомендуется обрабатывать со скоростью резания свыше 100 м/мин. Кальцийсодержащие стали наиболее легко обрабатываются твердосплавными инструментами со скоростью резания 150-300м/мин., т.к. сложные оксиды с СаО обладают повышенной устойчивостью к размягчению. Увеличение количества включений достигается повышенным содержанием фосфора, который также снижает пластичность феррита.

Относительно небольшие добавки S, Pb, Ca, а также Р не очень сильно изменяют механические свойства автоматных сталей по сравнению с аналогичными, не содержащими этих добавок, но, все-таки, используются для малоответственных деталей, когда требуется высокая точность размеров и малая шероховатость.

К недостаткам автоматных сталей относится анизотропия механических свойств из-за вытянутых по направлению прокатки включений.

Автоматные стали с повышенным % С (А30, АС40, А40Г) при необходимости подвергают нормализации, закалке и отпуску.

Стали с высокой технологической пластичностью.

Под технологической пластичностью понимается способность стали подвергаться горячей и холодной пластической деформации (обработке давлением).

Технологическая пластичность зависит от химического состава и структурного состояния стали.

В сталях важнейшее влияние на пластичность в холодном состоянии оказывает содержание углерода и способ раскисления.

Для глубокой вытяжки применяют стали с содержанием углерода до 0,1% (для крыльев и кузовов автомобилей, например, применяют стали 08кп или 08пс). При С=0,2-0,3% возможны гибка и незначительна вытяжка, а при С=0,35-0,45% только гибка большого радиуса.

Кроме углерода на степень деформационного упрочнения стали, а, следовательно, сопротивление пластическому деформированию оказывают влияние легирующие элементы, которые располагаются в следующей последовательности: Si, Cr, Ni, Mn. Поэтому для глубокой вытяжки используют «кипящие» (раскисленные Mn) и «полуспокойные» (раскисленные Mn, Al) стали.

Штампуемость сталей (способность к вытяжке) оценивают по технологической пластичности (δ) и по отношению σ_0,2/σ_В. Рекомендуемое отношение σ_0,2/σ_В =0,55-0,65. Еще одним фактором, влияющим на холодное деформирование, является размер зерна, который должен быть не более 5 балла, т.е. средний диаметр не должен превышать 65мкм. К этой группе в соответствии с ГОСТ 10702-78 относятся низкоуглеродистые и легированные стали, из которых изготавливают детали кузовов автомобилей, корпуса бытовых и промышленных приборов, посуда, емкость и другие штампуемые изделия.

Свариваемость стали

Сварку широко применяют в жилищном и промышленном строительстве, судостроении, мостостроении, строительстве газо – и нефтепроводов и т.д.

Детали машин, которые изготавливаются из конструкционных сталей различной прочности (углеродистые и легированные, мартенситно-стареющие, трипстали, цементуемые и улучшаемые) обычно сварке не подвергаются.

Зато строительные, судостроительные и арматурные стали должны обладать высокой свариваемостью, под которой понимают количество допускаемых способов сварки, при которых реакция свариваемых материалов на термодеформационный цикл не приводит к появлению пор, непроваров, трещин. Причем особенно опасны трещины, возникающие в шве или околошовной зоне, из-за градиентов возникающих напряжений. Такие трещины могут быть горячими или холодными. Первые называют еще и кристаллизационными. Они возникают, главным образом, в сварном шве в момент его кристаллизации, когда шов находится в полутвердом (кристаллы + жидкость) состоянии. Чем дольше металл находится в таком состоянии, тем больше вероятность появления горячих трещин. Элементы, расширяющие интервал между ликвидус и солидус, повышают чувствительность к горячим трещинам (например, углерод). Холодные трещины возникают в результате мартенситного превращения. Поэтому легирующие элементы, способствующие переохлаждению аустенита до Mн в зонах, нагретых выше критических температур, вызывают появление холодных трещин, как и повышенное содержание углерода, увеличивающего объемный эффект мартенситного превращения.

Таким образом, химический состав стали, а особенно повышенное содержание углерода  - важнейший фактор, определяющий свариваемость сталей.

Влияние содержания углерода, легирующих элементов и примесей характеризуются углеродным эквивалентом, который определяют по различным формулам, дающим близкие результаты.

Согласно ГОСТ 27772-88 углеродный эквивалент СЕ определяют по формуле:

СЕ=С+Mn/6+Si/24+Cr/5+Mo/4+Ni/40+Cu/13+V/14+P/2, где символы - массовые доли элементов в %. При СЕ≤0,35 – сварка не вызывает затруднений, при СЕ=0,35-0,6- сварка должна проводиться с соблюдением мер предосторожности, при СЕ > 0,6 – вероятность возникновения трещин велика.

Строительные стали.

Это стали с содержанием углерода меньше 0,22-0,25%, повышение прочности которых достигается легированием дешевыми элементами – марганцем и кремнием.

В России установлены семь основных классов прочности σ_т =225МПа, 285МПа, 325МПа, 390МПа, 440МПа, 590МПа, 735МПа.

Сталь σ_т ≥225Мпа называют сталью нормальной прочности.  Это, как правило, углеродистые горячекатаные стали (Ст3, Ст3пс, Ст3кп).

Стали трех следующих классов называют сталями повышенной прочности. Это низколегированные стали - С285 (Ст3Гпс), С345 (09Г2С), С390 (14Г2АФ), а также стали для автодорожных и железнодорожных мостов (ГОСТ 6713091)-15ХСНД с σ_т =345МПа и 10ХСНД с σ_т =390МПа.

Прокат из низколегированных строительных сталей поставляется после горячей прокатки и имеет ферритно-перлитную структуру, но в ряде случаев листовой прокат для повышения хладостойкости подвергается термообработке – нормализации или улучшению.

Стали с σ_т ≥440 МПа называют сталями высокой прочности, к ним относятся стали с карбонитридным упрочнением С440 (16Г2АФ) и С550 (18Г2АФ), которые подвергаются нормализации с нагревом до 890-950⁰ С, в результате чего выделяются карбонитриды диаметром 10-100мкм, что и увеличивает предел текучести, а также закаленно - отпущенные экономнолегированные стали 12Г2СМФ, 14Х2ГМР с σ_т =590МПа и 12ГН2МФАЮ, 12ХГН2МФБАЮ, с σ_т =735-785МП, которые подвергаются закалке в воду с 890-920⁰С и отпуску при 650-680⁰С.