Углеродистые и легированные стали

Сталь относят к группе железоуглеродистых сплавов, содержащих не более 2% углерода. Для получения литых деталей ее начали применять лишь с середины XIX в. В настоящее время стальное фасонное литье широко применяют в самых различных отраслях машиностроения. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами, быть надежными и долговечными в эксплуатации. Чем ответственнее машина и тяжелее условия, в которых она работает, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Литые детали из стали разнообразны по своей конфигурации и назначению. Обычно из стали получают отливки, работающие в условиях воздействия больших статических и динамических нагрузок. Высокие механические свойства стали позволяют существенно снижать массу конструкций. Например, масса стальных литых деталей в экскаваторе составляет 45%, в тепловозе — 50%, в тепловой арматуре — 60% обшей массы. Многие стали хорошо свариваются, что дает возможность изготавливать сложные сварно-литые конструкции. Стальные отливки без литейных дефектов (усадочных и газовых раковин, неметаллических включений, трещин и т. п.) после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.

Вместе с тем следует учитывать, что сталь по сравнению с чугунами имеет большую чувствительность к внешним и внутренним надрезам. При неблагоприятной форме надрезов (с острыми углами), вследствие понижения способности к пластическим деформациям, у стали может произойти хрупкое разрушение, причем, чем выше прочность стали и чем большие нагрузки применяют, тем сильнее сказывается на нее влияние надрезов. Необходимо также отметить, что стали, особенно легированные, имеют по сравнению с чугунами более низкую циклическую вязкость.

Применительно к машиностроению литейные стали условно можно разделить на три группы; конструкционные (нелегированные и легированные), инструментальные и стали со специальными свойствами.

Из конструкционных сталей в основном изготавливают детали, испытывающие высокие механические нагрузки — статические, динамические, вибрационные. Из инструментальных сталей изготавливают литой инструмент; из сталей со специальными свойствами (жаропрочные, жарои кислотостойкие, коррозионностойкие и т. д.), т. е. детали, работающие в различных агрессивных средах, при высоких температурах, в условиях сложных механических нагрузок.

Из конструкционных нелегированных сталей получают примерно 2/3 стальных фасонных отливок. По литейным свойствам эти стали уступают чугуну, но, тем не менее, из них можно изготавливать сложные отливки, разнообразные по конструкции, размерам, массе, толщине стенок, для различных отраслей промышленности. После термической обработки литая конструкционная нелегированная сталь обладает достаточно высокими механическими свойствами.

Низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,2% углерода, применяют для отливок, которые должны иметь твердый, цементованный поверхностный слой с высоким сопротивлением изнашиванию и вязкую сердцевину (шестерни, ролики и др.). Кроме того, их применяют в электротехнической промышленности (корпусы электродвигателей, полюса, якоря), так как они обладают повышенной магнитной проницаемостью.

Для получения отливок машиностроительных деталей наиболее широко применяют литейные марки стали с содержанием углерода 0,25…0,35%. Из таких сталей отливают корпусные детали машин, работающие с динамическими нагрузками, арматуру напорных магистралей, балансиры и др. Эти углеродистые стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются металлорежущим инструментом.

Стали, содержащие более 0,45% углерода, применяют для отливок, которые в эксплуатации подвергаются износу без воздействия значительных ударных нагрузок (валки некоторых прокатных станов, шнеки для сыпучих тел и т. п.). Нужно иметь в виду, что с повышением предела прочности и твердости обрабатываемость углеродистых сталей ухудшается.

Жидкотекучесть нелегированной конструкционной стали в среднем в 2 раза меньше жидкотекучести серых чугунов и определяется содержанием углерода в стали (по мере увеличения содержания углерода жидкотекучесть возрастает).

Низкоуглеродистые стали марок 15Л и 20Л применяют обычно для изготовления несложных литых частей сварно-литых конструкций, так как эти стали обладают пониженной жидкотекучестью. Разнообразные по массе и конфигурации фасонные отливки для различных отраслей народного хозяйства в основном изготавливают из среднеуглеродистых сталей марок 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л. Литейные свойства этих сталей выше, чем низкоуглеродистых. Высокоуглеродистые стали марок 45Л, 50Л, 55Л применяют для изготовления износостойких деталей (зубчатых колес, шестерен, барабанов, катков и т. п.). Эта группа сталей обладает относительно хорошей жидкотекучестью. Для них характерна высокая линейная усадка: у тонкостенных отливок сложной конфигурации усадка составляет 1,25… 1,50%; у толстостенных — 2,0…2,5%. Увеличение содержания углерода снижает линейную усадку, что уменьшает опасность образования горячих трещин. С другой стороны, высокоуглеродистые стали обладают наибольшей склонностью к образованию холодных трещин. Особенности литейных свойств конструкционных нелегированных сталей вызывают необходимость выполнения определенных требований при конструировании литых деталей.

Для улучшения структуры и снижения внутренних напряжений литые детали из углеродистых сталей всегда проходят термическую обработку в виде отжига или нормализации. Недостатком обычных углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость из-за высокой скорости распада аустенита. Для получения закаленной структуры требуется очень большая скорость охлаждения изделия.

Общим недостатком всех марок углеродистых сталей является их склонность к коррозии во влажной атмосфере и в растворах электролитов, а также большая окисляемость при высокой температуре.

Когда свойства углеродистой стали не могут обеспечить необходимой прочности и долговечности деталей, приходится применять легированные стали. Это является одним из путей увеличения надежности, долговечности изделий, снижения их массы.

Подробная классификация сталей, их физико-механические свойства и области применения приведены в подразд. 1.1.2.

При проектировании литых деталей из легированных сталей следует иметь в виду, что отдельные марки отличаются пониженными литейными свойствами и повышенной склонностью к образованию горячих или холодных трещин, не допускают применения больших сечений, плохо обрабатываются режущим инструментом и т. д. Например, высокомарганцовистая сталь марки Г13Л имеет очень большую усадку, склонна к образованию горячих трещин, практически не поддается обработке иструментом из быстрорежущей стали, толщина стенок отливок должна быть не более 100… 120 мм.

Процесс изготовления стальных отливок значительно сложнее, чем чугунных, так как литейные свойства у стали ниже, чем у чугуна. Для предупреждения образования усадочной пористости необходимы большие прибыли, объем которых может достигать 60% объема отливки, что приводит к увеличению расхода материала в 1,6 раза. Учитывая пониженную жидкотекучесть стали, сечения литниковых каналов необходимо увеличивать в 1,5 — 3 раза. Все это, естественно, снижает коэффициент использования металла, повышает себестоимость деталей.

Сравнивая одинаковые по массе и группе сложности отливки, изготовленные из чугуна и стали, можно отметить, что оптовые цены на отливки из конструкционных нелегированных и низколегированных сталей близки к ценам аналогичных отливок из высокопрочного чугуна.

Учитывая более высокие литейные свойства высокопрочных чугунов, их прочность и пластичность, необходимо оценивать возможность замены стального литья на литье из высокопрочного чугуна.