Что такое конструкционная сталь и как она изготавливается

Что такое конструкционная сталь и как она изготавливается?

Конструкционная сталь зарекомендовала себя как один из самых важных материалов в строительной отрасли. Независимо от того, строите ли вы крупномасштабные сооружения, такие как высотные здания и мосты, или мелкие сооружения, такие как жилые и административные здания, вы так или иначе будете использовать конструкционную сталь. Таким образом, важно понимать сложные процедуры, которые ведущие поставщики выполняют при производстве этого материала. Если эти процессы не соблюдаются и не обрабатываются надлежащим образом, долгосрочная устойчивость и жизнь проекта поставлены на карту.

Типы конструкционной стали

Конструкционная сталь в основном классифицируется в соответствии с их химическим составом. Они включают:

Углерод-марганцевые стали. Основными химическими компонентами являются железо, углерод и марганец. Они обычно упоминаются как мягкие конструкционные стали или углеродистые стали. Она обладает высокой прочностью и пластичностью и широко используется, потому что он экономична.

Высокопрочные низколегированные стали. Основными химическими компонентами являются железо, углерод и некоторые дополнительные химические элементы, добавляемые для повышения прочности.

В трубопроводах и машиностроении применяется сталь 30ХГСА, подробнее http://stalmaximum.ru/30khgsa/:

Высокопрочные закаленные и закаленные легированные стали. Они используются в конструкционных целях.

Как изготавливается конструкционная сталь?

В кратком объяснении создание конструкционной стали включает нагревание железа и добавление веществ для получения определенных свойств. Однако весь процесс довольно длинный.

Сырое железо, которое является основным компонентом, редко получается чистым, потому что чаще всего его смешивают с углеродом в высокой концентрации. Поэтому первая задача — уменьшить содержание углерода, но не полностью удалить углерод. Почему? Ведь после железа углерод является наиболее важным элементом конструкционной стали. Присутствие углерода в стали делает его более прочным и снижает пластичность.

Первым шагом является дробление сырой железной руды и ее переработка с целью ее сортировки. Процесс может быть выполнен несколькими способами, предназначенными для сортировки лучших марок железа примерно на 60 процентов.

Затем железная руда загружается в доменную печь сверху и нагревается. Когда горячий воздух подается в печь снизу, происходит реакция, удаляющая примеси, когда чистое железо в расплавленном состоянии падает на дно печи. Расплавленное железо извлекается и дополнительно нагревается для добавления других веществ, улучшающих свойства стали, таких как марганец. Когда конструкционная сталь изготовлена, она отливается в несколько различных форм, в зависимости от того, как она будет использоваться. Сталь обычно формируется и используется в качестве луча, канала, угла, пластины или полой стальной трубы.

Чем она отличается от других типов стали?

Как и другие виды стали, основные компоненты остаются такими же; железо и углерод, но некоторые изменения в составе отличают конструкционную сталь от остальных. Первый процент содержания углерода. Чем больше углерода добавлено в сплав, тем выше прочность и ниже пластичность конечного продукта. Другие химические вещества или вещества, добавленные в производственный процесс, включают в себя:

Марганец — одна из самых распространенных добавок в конструкционную сталь после железа и углерода. Это важно для хорошей обрабатываемости, а также помогает хорошо связать стальные элементы, чтобы избежать растрескивания и раскалывания в процессе прокатки.

Фосфор — улучшает обрабатываемость и увеличивает прочность на разрыв. Он в основном не используется в высоких концентрациях, потому что он делает сталь хрупкой.

Сера — в основном считается примесью. Это может отрицательно сказаться на свойствах конструкционной стали, если сталь имеет высокую концентрацию серы и низкую концентрацию марганца.

Другие добавки включают кремний, хром, ванадий и вольфрам.

В зависимости от того, как будет использоваться сталь, процентное содержание углерода в конструкционной стали является наиболее важным. Если содержание углерода низкое, сварка все равно становится легче, но это также может усложнить работу с материалом, что снижает скорость строительства. Поиск идеального баланса является ключевым моментом при рассмотрении того, для чего она будет использоваться.

Конструкционная сталь что это такое

Качественная конструкционная углеродистая сталь

Эта сталь отличается от стали обыкновенного качества меньшим содержанием вредных примесей, суженными пределами содержания углерода, кремния и марганца.

Сталь качественная конструкционная углеродистая поставляется в виде поковок и проката с последующей термической обработкой, обладает низкой прокаливаемостью и применяется в основном для производства сварных конструкций и деталей машин, подвергающихся действию механических нагрузок.

Сталь легированная конструкционная

Сталь легированная конструкционная самая многочисленная группа сталей. Эта сталь характеризуется низким содержанием углерода — до 0,6% и сравнительно не высоким содержанием легирующих элементов — до 7-8%.

Подразделяется на три подгруппы:

• низколегированная — до 2,5% легирующих элементов;
• среднелегированная — 2,5-6,0% легирующих элементов;
• высоколегированная — более 6,0% легирующих элементов.

Многие из этих сталей с содержанием углерода до 0,4% подвергают цементации.
Низколегированная сталь применяется для изготовления металлических конструкций (марганцовистая, кремнемарганцовистая, марганцовованадиевая, хромокремне-марганцовая и хромокремненикелевая с медью) и армирования железобетонных конструкций (кремнемарганцовая, хромомарганцовая с цирконием и кремнистая). Низколегированные стали обладают повышенной прочностью, пониженной чувствительностью к старению, хорошей свариваемостью, легко поддаются механической обработке и штамповке.
Стали с никелем применяют для деталей, испытывающих ударные нагрузки.
Высокопрочные легированные стали применяют в транспортном и тяжелом машиностроении, автомобилестроении для изготовления тяжелонагруженных деталей, испытывающих ударные нагрузки, для изготовления деталей машин, механизмов, труб, металлоконструкций.
Основную массу легированных конструкционных сталей подвергают смягчающему отжигу для облегчения обработки резанием или несложной холодной обработки давлением.

Умягчение большинства этих сталей происходит в интервале температур от 700 до 800°С.
Основным недостатком проката крупных профилей, изготовленных из этих сталей, являются флокены.
Стали марок 18-25Х2Н4М(В)А, 30Х2Н2ВФ, 30Х2Н2ВА, 20ХН4ФА при нагреве до температуры свыше Ас1 склонны к закалке даже при очень медленном последующем охлаждении. Умягчение стали достигается в этих случаях путем троекратной термообработки при температуре не выше 650-680°С.
К изделиям, для которых используются различные марки конструкционной легированной стали, относятся:

• валы, шпиндели, зубчатые колёса и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной твёрдости, износостойкости, прочности и работающие при ударных нагрузках;
• диски трения, валы, шестерни, втулки подшипников, кривошипы, коленвалы дизелей и другие детали, требующие повышенной прочности и износостойкости;
• оси, фланцы, пальцы, вилки, детали сварных конструкций, работающих в условиях знакопеременных нагрузок;
• шестерни, валы, крепёжные детали, работающие при температуре до 450 — 500 °С;
• штоки, валы экскаваторов, червячные валы, другие детали, работающие при температуре до 400°С.

Важными деталями многих машин и приборов являются упругие элементы — пружины, рессоры, мембраны, изготовленные из рессорно-пружинной стали. Во многих случаях, кроме высоких упругих свойств, к пружинным сталям предъявляются особые требования — коррозионностойкость, немагнитность.

Пружинные стали общего назначения

Должны иметь высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокую упругость), высокую прочность. Кроме того, для пружин широко применяют углеродистые стали марок 65-85. Для получения высоких упругих свойств и прочности эти стали подвергают специальной термической обработке — патентированию. При холодной пластической деформации сталь приобретает высокие упругие и прочностные свойства. Кроме патентирования эти стали подвергают закалке с кратковременным отпуском электроотпуском или нормализации с последующей холодной деформацией. Все пружинные стали склонны к обезуглероживанию.

Пружинные стали специального назначения

Пружины, работающие в агрессивных средах (паре, морской воде, тропическом климате) изготавливают из нержавеющей стали.

Марки стали

В зависимости от свойств различных марок стали, а также сфер их применения, принято различать следующие основные виды стали: конструкционная сталь, инструментальная сталь, нержавеющая сталь (с легирующей присадкой — хром), жаропрочная сталь, жаростойкая сталь и высокопрочная сталь.

Конструкционная сталь классифицируется по наличию таких примесей как сера и фосфор. Сера является вредной примесью. Она придает стали хрупкость. Фосфор придает красноломкость (дает трещины при горячей обработке давлением). Чем меньше этих примесей, тем более высокого качества сталь и тем дороже стоит ее прокат. Конструкционная сталь подразделяется на следующие категории качества: обыкновенная сталь, качественная сталь, высококачественная сталь и особовысококачественная сталь, в которой содержание примесей не превышает 0,015%.

Марки кострукционной стали

Марки конструкционной стали располагаются вот в таком ряду: Ст1КП2, БСт2ПС; ВСт3ГПС; Ст4-2; … ВСт6СП3. Буква перед маркой (Б, В. ) показывает группу стали. Группы стали классифицируют материал по дальнейшему использованию. Например стали группы В применяются для изготовления сварных конструкций, а стали группы А — в изделиях, не подвергающихся тепловой обработке и воздействию. Стали группы А как правило маркируются без указания группы.

Ст означает, что сталь обыкновенного качества. Первая цифра — номер по Госту от единицы до шести. Если после первой цифры встречается буква Г, значит сталь отличается повышенным содержанием марганца. Степень раскисления стали отображается буквосочетаниями СТ, ПС, КП. Вторая цифра отражает номер категории стали (от единицы до шести). Первая категория маркируется без единицы.

Маркировка углеродистой стали несколько отличается. Слово «Сталь» означает, что данная сталь углеродистая качественная. Также к этому классу относят стали с повышенным содержанием марганца, отличающиеся повышенным прокаливанием.

Отличают сталь повышенной обрабатываемости. К ним относятся марки стали с низким процентным содержанием вредных примесей, а также стали, специально легированные селеном, свинцом или теллуром. Маркировка автоматной стали или стали повышенной обрабатываемости содержит букву А.

Легированные конструкционные стали применяют в основном для изготовления машин, конструкций и механизмов с высокой нагрузкой. Детали из легированной конструкционной стали подвергают финишной тепловой обработке (закалке), которая дает высочайшую конструкционную прочность. Прокаливаемость стали определяется наличием специальных химических присадок. Маркировка легированной конструкционной стали отличается наличием двух двузначной цифры в начале маркировки. Это содержание углерода в сотых долях процента.

Инструментальная сталь отличается наличием углерода в процентном содержании от 0,7% и выше. Из этих марок стали изготавливаются обрабатывающие инструменты благодаря их высокой прочности и твердости. Эти стали также подвергаются окончательной закалке.

Марки инструментальной стали

Различают инструментальную сталь пониженной прокаливаемости (углеродистые), повышенной прокаливаемости (легированные), бытрорежущую и штамповую.

Конструкционная сталь — что это такое

Конструкцио́нная сталь — сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали подразделяются на несколько подгрупп.

1. Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой)
2. Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой)
3. Цементит (карбид железа; Fe₃C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
4. Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

1. Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
2. Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объёмно-центрированной тетрагональной решёткой)
3. Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
4. Сорбит (дисперсный перлит)
5. Троостит (высокодисперсный перлит)
6. Бейнит (устар.: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

1. Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
2. Серый чугун (графит в форме пластин)
3. Ковкий чугун (графит в хлопьях)
4. Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
5. Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Содержание

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора (P) и серы (S). Фосфор придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость. Содержание вредных примесей в стали:

• Обыкновенного качества — P и S — до 0,05 % (маркировка Ст).
• Качественная — P и S — до 0,035 % (маркировка Сталь).
• Высококачественная — P и S — до 0,025 % (маркировка А в конце марки).
• Особовысококачественная — Р и S — до 0,015 % (маркировка Ш в конце марки).

Широко применяются в строительстве и машиностроении как наиболее дешёвые, технологичные, обладающие необходимыми свойствами при изготовлении конструкций массового назначения. В основном эти стали используют в горячекатанном состоянии без дополнительной термической обработки с ферритно-перлитной структурой.

В зависимости от последующего назначения конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества ранее подразделялись на три группы: А, Б, В. В актуальной версии ГОСТ 380-2005 данная классификация отсутствует.

По степени раскисления Править

Степень раскисления определяется содержанием кремния (Si) в этой стали. По степени раскисления углеродистые стали обыкновенного качества делятся на:

• спокойные (СП) — не менее 0,12 % (Si)
• полуспокойные (ПС) — 0.07-0.12 % (Si)
• кипящие (КП) — не более 0,07 % (Si)

Маркировка Править

Основные марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества:

Ст1кп2; Ст2пс; Ст3Гпс; Ст4-2; … Ст6сп3.

• Ст — показывает, что сталь обыкновенного качества.
• Первая цифра — номер по ГОСТу (от 0 до 6).
• Буква Г после первой цифры — повышенное содержание марганца (Mn) (служит для повышения прокаливаемости стали).
• сп; пс; кп — степень раскисления стали. спокойная, полуспокойная, кипящая. Чем спокойнее сталь, тем более однородной структурой и химическим составом по сечению отливки она обладает.
• Вторая цифра — номер категории стали (от 1 до 6 — чем выше цифра, тем большее количество параметров стали контролируется)
• ). Сталь 1-й категории цифрой не обозначается.
• Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали.

Применение Править

• Ст1; Ст2 — проволока, гвозди, заклёпки.
• Ст3; Ст4 — крепёжные детали, фасонный прокат.
• Ст5; Ст6 — слабонагруженные валы, оси.

Качественными углеродистыми сталями являются стали марок: Сталь08; Сталь10; Сталь15 …; Сталь78; Сталь80; Сталь85,

Также к этому классу относятся с повышенным содержанием марганца (Mn — 0.7-1.0 %): Сталь 15Г; 20Г … 65Г, имеющие повышенную прокаливаемость.

Маркировка Править

• Сталь — слово «Сталь» указывает, что данная углеродистая сталь качественная. (В настоящее время слово «Сталь» не пишется, указывается только индекс и последующие буквы)
• Цифра — указывает на содержание в стали углерода (С) в сотых долях процента.

Применение Править

Низкоуглеродистые стали марок Сталь08, Сталь08КП, Сталь08ПС относятся к мягким сталям, применяемым чаще всего в отожжённом состоянии для изготовления деталей методом холодной штамповки — глубокой вытяжки. Стали марок Сталь10, Сталь15, Сталь20, Сталь25 обычно используют как цементируемые, а высокоуглеродистые Сталь60 … Сталь85 — для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью.

Сталь30 … Сталь50 и аналогичные стали с повышенным содержанием марганца Сталь30Г, Сталь40Г, Сталь50Г применяют для изготовления самых разнообразных деталей машин.

К сталям с повышенной обрабатываемостью или автоматным сталям относят стали с высоким содержанием серы и фосфора, а также стали, специально легированные селеном (Se), теллуром (Те) или свинцом (Pb). Указанные элементы способствуют повышению скорости резания, уменьшают усилие резания и изнашиваемость инструмента, улучшают чистоту и размерную точность обработанной поверхности, облегчают отвод стружки из зоны резания и т. д. Эти стали используют в массовом производстве для изготовления деталей на станках-автоматах.

Стали с повышенным содержанием серы и фосфора обладают пониженными механическими свойствами и их используют для изготовления малонагруженных неответственных деталей (например, метизов).

По мере развития технологий лазерной резки были разработаны специальные конструкционные стали для лазерной резки. Их отличительной особенностью является более предсказуемое поведение листа после резки (пониженный уровень внутренних напряжений в металле) [1] .

Маркировка Править

В начале обозначения марки автоматной стали всегда стоит буква «А», например А12, А20, А35.

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском в районе 550—680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность.

Легирующие элементы — химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях — в пределах 0.25-0.50 %.

Конструкционную сталь с содержанием хрома, марганца и кремния около 1% каждого элемента, а также с содержанием от 0,17 до 0,39% углерода называют хромансиль [2] .

Маркировка Править

• Две цифры в начале маркировки указывают на конструкционные стали. Это содержание в стали углерода в сотых долях процента.
• Буква без цифры — определённый легирующий элемент с содержанием в стали менее 1 %.(А — азот, Р — бор, Ф — ванадий, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Х — хром, П — фосфор, Ч — редкоземельные металлы, В — вольфрам, Т — титан, Ю — алюминий, Б — ниобий)
• Буква и цифра после неё — определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).
• Буква А в конце маркировки — указывает на высококачественную сталь.

Например 38Х2Н5МА — это среднелегированная высококачественная хромоникелевая конструкционная сталь. Химический состав: углерод — около 0,38 %; хром — около 2 %; никель — около 5 %; молибден — около 1 %.

К теплоустойчивым конструкционным относятся стали, используемые в энергетическом машиностроении для изготовления котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов, а также в других отраслях промышленности для работы при повышенных температурах. Рабочие температуры теплоустойчивых сталей достигают 600—650 °C, причём детали из них должны работать без замены длительное время (до 10000-20000 ч.).

При давлениях 6 МПа и температурах до 400 °C используются углеродистые котельные стали (12К, 15К, 18К, 20К). Для деталей энергоблоков, работающих при давлении до 25.5 МПа и температурой до 585 °C применяются стали, легированные хромом, молибденом, ванадием. Содержание углерода 0.08-0.27 %. Термообработка этих сталей заключается в закалке или нормализации с обязательным высоким отпуском.

Особенностью эксплуатации подшипников являются высокие локальные нагрузки. В связи с этим к чистоте стали предъявляются чрезвычайно высокие требования, особенно по неметаллическим включениям карбидной неоднородности. Обеспечение высокой статической грузоподъёмности достигается применением в качестве материала для подшипников заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твёрдость.

Маркировка Править

• Содержание углерода — около 1 %;
• Содержание хрома в десятых долях процента (например: ШХ15 — хром — около 1,5 %)

14ХН4А, 38Х2Н5М, 20ХН3А.

Общее требование, предъявляемое к рессорно-пружинным сталям, — обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений). Эти характеристики обеспечивают точность и надёжность работы пружин и постоянство во времени таких эксплуатационных свойств, как крутящий момент, силовые параметры. Пружинные стали в виде проволоки и ленты упрочняют холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.