Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Свойства и дефекты конструкционной стали

Конструкционная сталь - сталь предназначенная для изготовления деталей машин и различных строительных сооружений. Поэтому к группе конструкционных сталей следует относить пружинные, клапанные стали, стали для турбинных лопаток, подшипников и др. Однако значительное различие в составе и свойствах названных сталей делает целесообразным выделение их в специальные группы; к конструкционным сталям обычно относят лишь улучшаемые и цементируемые стали.

Главной характеристикой конструкционных сталей являются их механические свойства при статических и динамических нагрузках. Иногда к ним предъявляют дополнительные требования, например стойкость против коррозии, износостойкость и др. В отдельных случаях необходимыми свойствами обладает простая углеродистая сталь, а в других случаях конструкционную сталь необходимо легировать теми или иными элементами.

Конструкционные стали подразделяют в свою очередь по назначению на строительные (главным образом низкоуглеродистые) и машиностроительные (средне- и низкоуглеродистые). Низкоуглеродистые машиностроительные детали (углеродистые и легированные) с содержанием углерода до 0,20—0,25% используют для изготовления деталей, подвергаемых цементации. Поэтому конструкционные стали этой группы принято называть цементуемыми. Среднеуглеродистые (от 0,25—0,30 до 0,50—0,55%С) конструкционные машиностроительные стали приобретают хорошее сочетание механических свойств после закалки и высокого отпуска. Такую термическую обработку называют улучшением, поэтому эти стали составляют группу улучшаемых сталей.

Низкое содержание углерода в строительных сталях вызвано тем, что эти стали должны хорошо свариваться. Кроме того, эти стали менее склонны к потере вязкости при понижении температуры и старении. Как правило, они содержат не более 2% легирующих элементов, и поэтому их относят к низколегированным конструкционным сталям.

В электропечах выплавляют в основном легированные конструкционные качественные и высококачественные стали. Принадлежность к классу качественного и высококачественного металла определяется содержанием вредных примесей, в первую очередь фосфора и серы. Количество этих примесей ограничивается, и в зависимости от назначения стали должно быть не более 0,025—0,04% для каждой из них.

Свойства конструкционной стали характеризуются низкой прокаливаемостью, в связи с чем для них высокие механические свойства после термической обработки могут быть получены только в поверхностном слое. Для получения необходимой структуры и увеличения прокаливаемости улучшаемых сталей в них вводят хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний, ванадий и другие легирующие элементы.

Высокую ударную вязкость конструкционной стали придает никель. В сочетании с хромом добавки никеля позволяют получать и глубокую прокаливаемость, которая определяет способность стали к равномерному улучшению свойств по всему сечению. Поэтому хромоникелевые улучшаемые стали широко применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных изделий (оси, валы, муфты).

Недостатком хромоникелевых контструкционных улучшаемых сталей является их склонность к отпускной хрупкости, которая устраняется введением 0,20—0,40% молибдена. При этом повышаются также и прочностные свойства стали.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые конструкционные стали широко применяют для изготовления крупных цементуемых изделий (шестерен, валов, шатунов). Карбиды хрома и молибдена придают цементированному слою высокую износостойкость, а никель улучшает прочность и пластичность этого слоя и уменьшает отрицательное влияние хрома и молибдена на повышение содержания в цементуемом слое углерода. В результате высокая прочность цементированного слоя сочетается с высокой прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины.

Сейчас наблюдается тенденция к замене дефицитного молибдена вольфрамом. Присадка вольфрама существенно повышает предел прочности, пластичности и вязкость конструкционных сталей, легированных с хромом и никелем, а также устраняет склонность к отпускной хрупкости. Вместо хромоникельмолибденовых конструкционных сталей широко используют стали 30Х2Н2ВА, 35X3BA, 40Х4ВА. Особенно широкое применение для изготовления тяжелонагруженных изделий получила конструкционная сталь 18Х2Н4ВА.

Имеется группа стали конструкционных марок, которые легируют адюминием. Применение для легирования стали алюминия обусловлено его большим сродством к азоту. Образуя в процессе изготовления стойкие нитриды, алюминий позволяет получать металл, свойства которого характеризируются очень высокой твердостью на поверхности (до HRC 70) и высоким сопротивлением истиранию, причем при содержании алюминия 0,5—1,5% это сочетается с хорошей вязкостью сердцевины.

Высокую прочность сердцевины термообработанных изделий из легированных алюминием сталей можно получить, если одновременно сталь легировать еще и хромом. Но при этом повышается склонность металла к отпускной хрупкости. Это недостаток e легированных хромом и алюминием сталей устраняют добавками молибдена или вольфрама и ванадия.

В СНГ получили распространение конструкционные стали трех марок, содержащие от 0,4 до 1,1% Al: 38ХЮА, 38ХМЮА и 38ХВФЮА. Склонную к отпускной хрупкости марку 38ХЮА применяют для деталей, не подвергающихся высоким нагрузкам. Стали 38ХМЮА. и 38ХВФЮА применяют для ответственных деталей турбиномоторостроения, работающих при температурах до 450° С (гильзы, цилиндры толкатели, шестерни), а также изделий сложной конфигурации, от которых требуется высокая поверхностная твердость, износостойкость и повышенный предел выносливости.

Для изготовления рессор и пружин используют конструкционные стали, легированные одним кремнием (1,5—2,0%). Повышая пределы прочности и текучести и способствуя образованию волокнистой структуры, кремний улучшает свойства рессор и пружин. Улучшению закаливаемости и уменьшению склонности к обезуглероживанию рессорно-пружинной стали способствуют добавки марганца. Кроме кремнемарганцовистых сталей, для этих целей применяют также хромокремнистые конструкционные стали.

Высокими пределами прочности и текучести в сочетании с устойчивостью против отпуска отличаются стали с кремнием, легированные дополнительно хромом и марганцем. Эти марки (20ХГСА, 3ОХГСА и др.), содержащие 0,90—1,20% Si, используют вместо хромоникелевых и хромоникельмолибденовых. Так как кремний увеличивает и износостойкость, такие стали применяют для изготовления шестерен, зубчатых колес, различных валов и осей.

Наиболее распространенным дефектом конструкционной стали являются флокены.

Очень распространены также дефекты, вызванные описанными в разделе разливка стали, ликвационными явлениями. Эти дефекты в продольных темплетах слитка проявляются в виде полос повышенной травимости или темных полос на серных отпечатках. Обычно эти полосы наклонены с уширением книзу («усы»). Но иногда они имеют и противоположный наклон с уширением кверху.

На поперечных темплетах из катаных заготовок после травления и на серных отпечатках из таких темплетов ликвационная неоднородность проявляется в виде пятнистой ликвации или ликвационного квадрата.

Иногда в изделиях из конструкционных сталей выявляются дефекты в виде тонких нитей — волосовин, свидетельствующих о несплошности металла. Располагаются эти линии в направлении течения металла при горячей обработке давлением. Волосовины встречаются на поверхности катаных или кованых заготовок или чаще во внутренних слоях металла, выходя на поверхность лишь в процессе изготовления деталей, в частности при ступенчатой обточке.

Дефекты конструкционной стали
Рисунок.1 Дефекты конструкционной стали

Поверхностные волосовины являются следствием разных причин, связанных главным образом с образованием плохой поверхности слитков при разливке. Их удаляют зачисткой поверхности заготовок.

Внутренние волосовины образуются вследствие скопления неметаллических включений — продуктов раскисления, вытянутых в направлении течения металла в процессе горячей обработки давлением. Чаще всего это включения силикатов.

В слитках малоуглеродистой легированной конструкционной стали ряда марок (18Х2Н4ВА, 25Х2Н4ВА, 12ХНЗА и др.) часто образуются такие дефекты как межкристаллические трещины. Эти дефекты конструкционной стали усадочного происхождения расположены обычно по оси слитка, но не доходит до его головной и нижней зон. На поперечных темплетах заготовок трещины после травления являются в виде извилистых линий — «пауков».

Перечисленные дефекты вызывают ухудшение качества металла, и для их предотвращения в процессе выплавки и разливки стали принимаются специальные меры.

Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Плавка стали в открытых электропечах
Вернуться на главную: Черная металлургия