Стали с высокой технологической пластичностью и свариваемостью

Свариваемость сталей

Выделяют довольно большое количество параметров, которые определяют основные свойства металла. Среди них выделяют показатель свариваемости. На сегодняшний день сварка стали проводится крайне часто. Подобный способ соединения металлов и других материалов характеризуется высокой эффективностью, так сварной шов может выдерживать большую нагрузку. При плохом показателе провести подобную работу сложно, в некоторых случаях даже невозможно. Все металлы разделяются на несколько групп, о чем далее поговорим подробнее.

Основные критерии, устанавливающие свариваемость

Оценивая свариваемость сталей, всегда уделяют внимание химическому составу металла. Некоторые химические элементы могут повысить этот показатель или снизить его. Углерод считается самым важным элементов, который определяет прочность и пластичность, степень закаливаемости и плавкость. Проведенные исследования указывают на то, что при концентрации этого элемента до 0,25% степень обрабатываемости не снижается. Увеличение количества углерода в составе приводит к образованию закалочных структур и появлению трещин.

К другим особенностям, которые касаются рассматриваемого вопроса, можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Практически во всех металлах содержатся вредные примеси, которые могут снижать или повышать обрабатываемость сваркой.
2. Фосфор считается вредным веществом, при повышении концентрации появляется хладноломкость.
3. Сера становится причиной появления горячих трещин и появлению красноломкости.
4. Кремний присутствует практически во всех сталях, при концентрации 0,3% степень обрабатываемости не снижается. Однако, если увеличить его до 1% могут появится тугоплавкие оксиды, которые и снижают рассматриваемый показатель.
5. Процесс сварки не затрудняется в случае, если количество марганца не более 1%. Уже при 1,5% есть вероятность появления закалочной структуры и серьезных деформационных трещин в структуре.
6. Основным легирующим элементом считается хром. Он добавляется в состав для повышения коррозионной стойкости. При концентрации около 3,5% показатель свариваемости остается практически неизменным, но в легированных составах составляет 12%. При нагреве хром приводит к появлению карбида, который существенно снижает коррозионную стойкость и затрудняет процесс соединения материалов.
7. Никель также является основным легирующим элементом, концентрация которого достигает 35%. Это вещество способно повысить пластичность и прочность. Никель становится причиной улучшения основных свойств материала.
8. Молибден включается в состав в небольшом количестве. Он способствует повышению прочности за счет уменьшения зернистости структуры. Однако, на момент воздействия высокой температуры вещество начинает выгорать, за счет чего появляются трещины и другие дефекты.
9. В состав часто в качестве легирующего элемента добавляется медь. Ее концентрация составляет около 1%, за счет чего немного повышается коррозионная стойкость. Важной особенностью назовем то, что медь не ухудшает обработку сваркой.

В зависимости от особенностей структуры и химического состава материала все сплавы делятся на несколько групп. Только при учете подобной классификации можно выбрать наиболее подходящий сплав.

Классификация сталей по свариваемости

Хорошей обрабатываемостью обладают сплавы, в которых при нагреве не образуются трещины. По данной характеристике выделяют четыре основных группы:

1. Хорошая обрабатываемость сваркой определяет то, что сталь после термической обработки остается прочным и надежным. При этом создаваемый шов может выдерживать существенное механическое воздействие.
2. Удовлетворительная степень позволяет проводить обработку без предварительного подогрева. За счет этого существенно ускоряется процесс, а также снижаются затраты.
3. Ограниченно свариваемые стали сложны в обработке, сварку можно провести только при применении специального оборудования. Именно поэтому повышается себестоимость самого процесса.
4. Плохая податливость сварке не позволяет проводить рассматриваемую обработку, так как после получения шва могут появится трещины. Именно поэтому подобные материалы не могут использоваться для получения ответственных элементов.

Классификация сталей по свариваемости

Каждая группа характеризуется своими определенными особенностями, которые нужно учитывать. Сталь 20 относится к первой группе, в то время как распространенная сталь 45 обладает низкой податливостью к сварке.

Группы свариваемости

Все группы свариваемости сталей характеризуются своими определенными особенностями. Среди них можно отметить следующие моменты:

1. Первая группа, которая характеризуется хорошей свариваемостью, может применяться при сварке без предварительного подогрева и последующей термической обработки шва. Отпуск выполняется для снижения напряжения в металле. Как правило, подобное свойство связано с низкой концентрацией углерода.
2. Вторая характеризуется тем, что склонна к образованию трещин и дефектов на швах. Именно поэтому рекомендуется проводить предварительный подогрев материала, а также последующую термическую обработку для снижения напряжений.
3. При ограниченном показателе сталь склонна к образованию трещин. Для того чтобы исключить вероятность появления трещин следует материал предварительно разогреть, после сварки в обязательном порядке проводится термообработка.
4. Последняя группа характеризуется тем, что в большинстве случаев на швах образуются трещины. При этом предварительный разогрев структуры не во многом решает проблему. После сварки обязательно проводится многоступенчатое улучшение.

Каждый сплав и металл относится к определенной группе. Кроме этого, степень свариваемости меняется после улучшения материала, к примеру, путем азотирования или закалки.

Как влияют на свариваемость легирующие примеси

Как ранее было отмечено, включение в состав большого количества легирующих элементов приводит к изменению основных характеристик. При этом отметим следующие моменты:

1. При низком показателе концентрации сталь лучше поддается сварке.
2. Некоторые химические вещества могут повысить рассматриваемый показатель, другие ухудшить.

Именно поэтому при выборе легированного сплава уделяется внимание не только типу легирующих элементов, но и их концентрации. Принятые стандарты ГОСТ определяют то, что при маркировке могут указывать основные химические вещества и их количество в составе.

Влияние содержания углерода на свариваемость стали

Во многом именно углерод определяет основные эксплуатационные характеристики сплава. Слишком высокая концентрация подобного химического вещества приводит к повышению твердости и прочности, но также и хрупкости. Кроме этого, в несколько раз снижается степень свариваемости. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

1. Если в составе углерода не более 0,25%, то рассматриваемый показатель остается на достаточно высоком уровне.
2. Слишком большое количество углерода в составе приводит к тому, что металл после термического воздействия начинает менять свою структуру, за счет чего появляются трещины.

Стоит учитывать, что проводимая химикотермическая процедура может привести к снижению податливости к рассматриваемому способу соединения. Именно поэтому улучшение сплава проводится после создания конструкции путем обработки шва.

Свариваемость низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистые сплавы хорошо подаются свариванию. При этом можно отметить следующие моменты:

1. В подобных сплава концентрация углерода менее 0,25%. Этот показатель свойственен сплавам, которые имеют повышенную гибкость и относительно невысокую твердость поверхностного слоя. Кроме этого, снижается значение хрупкости. Поэтому низкоуглеродистые стали часто используют при создании листовых заготовок. При добавлении небольшого количество легирующих элементов может быть повышена коррозионная стойкость.
2. Для повышения основных характеристик в состав могут добавлять различные легированные элементы, но в небольшом количестве. Примером можно назвать марганец и никель, а также титан.

Как правило, подобные металлы не нужно перед обработкой подвергать подогреву, а после проведения процедура закалка или отпуск выполняется только для при необходимости.

Свариваемость закаленной стали

Распространенной термической обработкой можно назвать закалку. Она предусматривает воздействие высокой температуры, которая может изменить структуру материала. После охлаждения происходит перестроение структуры, за счет чего происходит упрочнение структуры и повышение твердости поверхностного слоя. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

1. Закалка предусматривает увеличение концентрации углерода в поверхностном слое. Именно поэтому степень свариваемости существенно снижается.
2. Подогрев заготовки проводится для того, чтобы упростить проводимую работу. Для этого может использоваться газовая грелка или иной источник тепла.

Закаленная сталь сложна в обработке. Кроме этого, если ранее не проводился отпуск в структуре может быть переизбыток напряжения, что и приводит к появлению трещин.

Повторная обработка швов может не привести к повышению их прочности.

В заключение отметим, что хорошей податливость сварке обладают металлы из различных групп. Примером можно назвать некоторые нержавейки, которые даже после воздействия тепла обладают коррозионной устойчивостью. Именно поэтому для сварочных работ рекомендуется выбирать материал, который характеризуется хорошей обрабатываемостью.

Стали с высокой технологической пластичностью и свариваемостью

Технологическая пластичность — способность металла подвергаться горячей и холодной пластической деформации.

В горячем (аустенитном) состоянии большинство сталей обладают высокой пластичностью, что позволяет получать фасонный прокат и поковки без дефектов (трещин, разрывов и т. п.). Более того, горячей обработкой давлением (в сочетании с последующим отжигом) измельчают микроструктуру, устраняют литейные дефекты и, формируя волокна вдоль контура поковок, создают благоприятно ориентированную макроструктуру. В результате этого горячедеформированный металл в отличие от литого имеет примерно в 1,5 раза более высокую конструкционную прочность.

Высокий запас технологической пластичности необходим листовым сталям, предназначенным для холодной штамповки. Технологическая пластичность зависит от химического состава стали, ее микроструктуры и контролируется параметрами механических свойств. Способность стали к вытяжке при холодной штамповке определяется концентрацией углерода. Чем она меньше, тем легче идет технологический процесс вытяжки. Для глубокой вытяжки содержание углерода в стали ограничивают при возможны только гибка и незначительная вытяжка, а при — изгиб большого радиуса.

Микроструктура стали должна состоять из феррита с небольшим количеством перлита. Выделение по границам зерен структурно свободного (третичного) цементита строго ограничивается во избежание разрывов при штамповке. Лучше всего деформируется сталь с мелким зерном, соответствующим номеру по ГОСТ 5639 — 82. При большем размере зерна получается шероховатая поверхность в виде так называемой апельсиновой корки, при меньшем — сталь становится слишком жесткой и упругой. Также нежелательна разнозернистая структура, поскольку она способствует неравномерности деформации и образованию трещин.

Контролируемыми параметрами механических свойств стали являются относительное удлинение 5 и отношение Чем больше 5, ниже , следовательно, меньше отношение (рекомендуется равным тем выше способность низкоуглеродистых сталей к вытяжке.

Для глубокой, сложной и особосложной вытяжки используют малопрочные высокопластичные стали всех видов раскисления. Их поставляют в виде тонкого холоднокатаного листа,

подвергнутого рекристаллизационному отжигу при температуре 650-690 °С.

Широко применяют кипящие стали Способность этих сталей хорошо штамповаться обусловлена низким содержанием углерода и почти полным отсутствием кремния, который сильно упрочняет феррит и затрудняет его деформируемость. Для глубокой вытяжки чаще всего используют сталь Из нее штампуют детали кузова автомобиля, корпуса приборов и другие детали сложного профиля.

Кипящая сталь из-за повышенной газонасыщенности склонна к деформационному старению. В связи с этим для холодной штамповки используют сталь, микролегированную ванадием или алюминием Ванадий и алюминий связывают примеси внедрения (азот, кислород) в прочные химические соединения и препятствуют развитию деформационного старения. Применяются также полуспокойные и спокойные стали которые, несмотря на меньшую пластичность, обладают более высокой стабильностью свойств.

Свариваемость — способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом. Для образования качественного соединения важно предупредить возникновение в сварном шве различных дефектов: пор, непрова-ров и, главным образом, трещин. Характеристикой свариваемости данного металла служат количество допускаемых способов сварки и простота ее технологии.

Свариваемость стали тем выше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов. Влияние углерода является определяющим. Углерод расширяет интервал кристаллизации и увеличивает склонность к образованию горячих трещин, которая тем больше, чем дольше металл шва находится в жидком состоянии. Причина холодных трещин — внутренние напряжения, возникающие при структурных превращениях, особенно мартенситном, в результате местной закалки (подкалки). Увеличивая объемный эффект мартенситного превращения, углерод способствует также образованию холодных трещин. В связи с этим высокой свариваемостью обладают стали, содержащие до 0,25% С. К ним относятся углеродистые стали , а также низколегированные, применяемые для изготовления различных металлоконструкций: стали для трубопроводов, мостостроения, вагоностроения, судостроения стали с карбонитридным упрочнением, применяемые для мостов, металлоконструкций цехов, кранов, резервуаров и др. (ГОСТ 19282 — 73). Эти стали содержат небольшие добавки ванадия в сочетании с повышенным содержанием азота (до Введение этих элементов способствует образованию дисперсных карбоннтридных фаз, измельчающих зерно. В результате повышается прочность стали и понижается температура перехода в хрупкое состояние. Это дает возможность применять такие стали в районах с холодным климатом. При добавлении меди (буква Д в марке) стали приобретают повышенную стойкость к атмосферной коррозии.

Сварка всех этих сталей при толщинах до 15 мм не вызывает затруднений. Сварка таких же сталей больших толщин и в термически упрочненном состоянии требует подогрева и термической обработки. При сварке углеродистых и низколегированных сталей, содержащих более 0,3% С, возникают затруднения из-за возможности закалки и охрупчивания околошовной зоны. Сварка высокохромистых и хромоникелевых сталей в связи с неизбежными фазовыми превращениями в металле требует специальных технологических приемов — снижения скорости охлаждения, применения защитных атмосфер и последующей термической обработки.

Стали с высокой технологической свариваемостью;

Стали с повышенной технологической пластичностью.

Технологическая пластичность зависит от химического состава и мик­роструктуры стали. Пластичность стали при холодной штамповке определяется в первую очередь концентрацией углерода. Чем меньше углерода, тем легче идет технологический процесс вытяжки. Рекомендуется для глубокой вытяжки брать стали с содержанием угле­рода

Наиболее часто применяемые стали — 05кп, 08кп, 10кп.

В них почти нет Si, который упрочняет феррит. Но из-за газонасыщен­ности стали склонны к деформационному старению. Чтобы связать N и О в химические соединения добавляют V и А1 (08Фкп, 08Юкп).

О качестве сварного соединения говорит отсутствие дефектов: поры, непровары. трещины. В принципе свариваются все металлы. Характеристи­кой свариваемости данного металла служит количество допускаемых спо­собов сварки и простота ее технологии.

Для сталей свариваемость тем выше, чем меньше в ней углерода и ле­гирующих элементов. Влияние углерода является определяющим.

Углерод расширяет интервал кристаллизации и увеличивает склонность к образованию горячих трещин. Горячие трещины появляются тогда, когда металл долго находится в жидком состоянии.

Причина холодных трещин — внутренние напряжения, возникающие при структурных превращениях, особенно мартенситном (местная закалка). Углерод увеличивает объемный эффект мартенситного превращения — спо­собствует появлению горячих трещин.

В связи с этим, высокая свариваемость у сталей с содержанием углеро­да 2.14% >. Кроме литейных свойств чугуны имеют достаточную прочность, износо­стойкость, относительно дешевые. Благодаря этому используются для про­изводства качественных отливок сложной формы. В зависимости от того, в каком виде и форме находится углерод в чугуне различают — белый, серый. ковкий, и высокопрочный чугун. Белый чугун имеет НВ = 450-550, хрупкий и для изготовления деталей машин не используется.

В промышленности широко применяются серые, ковкие и высокопроч­ные чугуны, в который углерод находится в виде графита. Графит обеспе­чивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, вы­сокие антифрикционные свойства, но понижает д и у_B .

Серый чугун. Имеет пластинчатую форму графита. По химическому составу делятся на: обычные(нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны содержат: основыне элементы Fe — С (2,2-3,7°о) — Si (1-3%), примеси Мn (0,2-1,1%), Р (0,02-0,3%), S (0.02-0,15%). Из руды попадают и находятся в небольшом количестве Сг, Ni и Си. Ферритные серые чугуны: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18 Предназначены для слабо и средне- нагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников. Феррито-перлитные серые чугуны: СЧ 20, СЧ 21, СЧ 25 Применяют для деталей работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков.

Перлитные серые чугуны: СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45 Наиболее прочные из-за мелких разобщенных графитных включений.Их используют для деталей работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы.

Высокопрочные чугуны. Графит шаровидной формы получают моди­фицированием магнием, или сплавом магния и никеля, который вводят в чугун в количестве 0,02-0,08 %. Применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяет сталь: прокатные станы, кузнечно-прессовое оборудование, в турбостроении -корпус шаровой турбины, коленчатые валы, поршни и т.д.Ковкие чугуны. Графит имеет хлопьевидную форму. Их получают от­жигом белых доэвтектических чугунов.

8. Медные сплавы, как материалы с повышенными технологиче­скими свойствами.

Медь обладает следующими свойствами: высокая теплопроводность высокая электропроводность, коррозионная стойкость. Сплавы меди сохраняют эти свойства меди и обладают хорошими ме­ханическими, технологическими и антифрикционными свойствами. Для легирования меди используют в основном элементы растворимые в меди: Zn, Sn, AL Be, Si, Mn, Ni. Повышая прочность медных сплавов, некоторые легирующие элементы не только не снижают пластичность, но и повышают ее (такие как — Zn, Sn, Al). Медные сплавы классифицируют, по технологическим свойствам (де­формируемые, литейные); по способности упрочняться с помощью терми­ческой обработки (упрочняемые, неупрочняемые т/о); по химическому составу (латуни, бронзы).

1) Латуни — это сплавы меди с цинком. Они бывают двойными (про­
стые) и многокомпонентными (легированные).

Латунь с >90% Си называют томпаками (Л96), при 80-85 % Си — полу-томпаками (Л80). Zn — удешевляет латунь, но практическое значение имеют латуни, со­держащие до 45 % Zn, с большим содержанием Zn сплав становится хруп­ким. До 39 % сплав — однофазный, 39 — 45 % структура состоит из двух фаз. Однофазные латуни хорошо деформируются в холодном состоянии, по­этому из них изготавливают холоднокатаные полуфабрикаты: полосы, лен­ты, проволоки, листы из которых изготавливают детали методом глубокой вытяжки (трубки, снарядные гильзы, сильфоны. Также детали требующие низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца). Для легирова­ния латуни применяют Al. Fe. Ni, Sn. Si. Эти элементы повышают коррози­онную стойкость латуни, обрабатываемость.

Двухфазные латуни имеют низкую пластичность при низких темпера­турах, но хорошую в горячем состоянии Из них выпускают горячекатаный полуфабрикат — листы, прутки, трубы, из которого изготавливают детали на металлорежущих станках — гайки, штуцеры, детали электрооборудования.

Двухфазные латуни имеют небольшой температурный интервал кри­сталлизации, благодаря чему хорошей жидкотекучестью, но при литье большую усадочную раковину. Этот недостаток не присущ легированным латуням. Поэтому легированные латуни применяют не только как дефор­мируемые, но и как литейные.

2) Бронзами называют сплавы меди со всеми элементами кроме Zn. На­
звание бронзам дают по основным элементам: оловянные, алюминиевые,
бериллиевые, кремнистые. Zn может присутствовать в качестве легирующе­
го элемента.

Оловянные бронзы. В меди растворяется (по диаграмме состояния) 15,8 % Sn (a — фаза). Но эти сплавы склонны к неравновесной кристаллизации и в реальных условиях однофазное состояние у сплава до 5 — 8 % Sn. При большем содержании Sn в структуре сплавов присутствует эвтектоид (а + 8) (д — фаза электронное соединение Cu₃₁Sn₈ Появление д- фазы в структуре бронз вызывает и резкое изменение свойств, снижается их вязкость и пла­стичность. Поэтому практическое применение имеют бронзы, содержащие до 10% Sn. Алюминиевые бронзы; Си и А1 образуют б- твердый раствор.

Дополнительно алюминиевые бронзы легируют Mn, Fe, Ni, Pb. Из алюминиевых бронз изготавливают мелкие, но ответственные дета­ли типа шестерни, втулок, флацев. Бронзы легированные Fe и Ni хорошо упрочняются закалкой + старени­ем.

Кремнистые бронзы. Пружины, фасонные отливки, мембраны.

Свинцовые бронзы. Бр СЗО Имеют более низкие механические и технологические свойства, но ис­пользуются как высококачественный антифрикционный материал (вклады­ши). Беррилиевые бронзы. Бр Б2 Высококачественный пружинный материал. После закалки от 800° С +- старение 300-350° С происходит выделе­ние дисперсных частиц, возрастает прочность и упругость (у_В=1100-1200 МПа).

10-11. Износостойкие материалы. Материалыс высокой твердостью поверхности.

Детали которые подвергаются изнашиванию можно подразделить на две группы: детали образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи); детали изнашивающиеся в результате воздей­ствия рабочей среды (жидкость, газ и т.п.) Причина изнашивания сопряженных деталей — работа сил трения. Под действием этих сил происходит деформирование участков поверхности, их упрочнение, разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости.

Существует два основных пути повышения износостойкости материа­ла: увеличение твердости трущейся поверхности, снижение прочности адгезионной связи.

Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластиче­скую деформацию и исключить микрорезание.

Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупрежде­ния схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей смазочным материалом.

Материалы с высокой твердостью поверхности:

1)Материалы устойчивые к абразивному изнашиванию
Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов про­
порциональна их твердости. В сплавах эта зависимость не соблюдается.

При наиболее тяжелых условиях работы используют карбидные сплавы в виде литых и наплавочных материалов.

В промышленности используют более 100 сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием (до 4 %) углерода и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti) В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов, увеличение содержания которых сопровождается увеличением износостой­кости.

Для деталей работающих без ударов применяют сплавы с мартенситной структурой. К ним относят сплавы: У25Х38, У30Х23Г2С2Т. (цифра после буквы У означает содержание углерода в десятых долях %).

При значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаватора, пики отбойных молотков и др.) применяют сплавы с аустенитно-мартенситной -У37Х7Г7С или аустенитной матрицей — У11ГЗ, У30Г34.

Для деталей работающих при средних условиях изнашивания приме­няют спеченые твердые сплавы, которые состоят из карбидов We, TiC, TaC с металлическим Со, а также высокоуглеродистые стали Х12, Х12М, Р18, Р6М5 (инструментальные стали со структурой — мартенсит + карбиды).

Для более легких условий изнашивания применяются низко- и средне-углеродистые стали с различного видами поверхностного упрочнения и чугуны (гильзы цилиндров, поршневые кольца, коленчатые валы.

Эти материалы предназначены для таких изделий массового производ­ства, как подшипники качения и зубчатые колеса. Усталостное выкрашива­ние на их рабочих поверхностях вызывают циклические контактные напря­жения сжатия.

Легированные стали

Легированные стали производят и поставляют качественными, высококачественными и особовысококачественными. Эта группа сталей многочисленна по количеству марок.

Стали с высокой технологической пластичностью и свариваемостью.

Технологическая пластичность — способность металла подвергаться горячей и холодной пластической деформации.

В горячем (аустенитном) состоянии большинство сталей обладают высокой пластичностью, что позволяет получать фасонный прокат и поковки без дефектов (трещин, разрывов и т. п.). Более того, горячей обработкой давлением (в сочетании с последующим отжигом) измельчают микроструктуру, устраняют литейные дефекты и, формируя волокна вдоль контура поковок, создают благоприятно ориентированную макроструктуру (рис. 9.1). В результате этого горячедеформированный металл, в отличие от литого, имеет примерно в 1,5 раза более высокую конструкционную прочность.

Рис. 9.1. Макроструктура поковок коленчатого вала: а — правильное расположение волокон; б — неправильное расположение волокон

Высокий запас технологической пластичности необходим листовым сталям, предназначенным для холодной штамповки. Технологическая пластичность зависит от химического состава стали, ее микроструктуры и контролируется параметрами механических свойств. Способность стали к вытяжке при холодной штамповке определяется концентрацией углерода. Чем она меньше, тем легче идет технологический процесс вытяжки. Для глубокой вытяжки содержание углерода в стали ограничивают 0,1 %; при 0,2-0,3 % С возможны только гибка и незначительная вытяжка, а при 0,35-0,45 % С — изгиб большого радиуса.

Микроструктура стали должна состоять из феррита с небольшим количеством перлита. Выделение по границам зерен структурно свободного (третичного) цементита строго ограничивается во избежание разрывов при штамповке. Лучше всего деформируется сталь с мелким зерном, соответствующим 7-8-му номеру (рис. 9.2) по ГОСТ 5639-82. При большем размере зерна получается шероховатая поверхность в виде так называемой апельсиновой корки, при меньшем — сталь становится слишком жесткой и упругой. Также нежелательна разнозернистая структура, поскольку она способствует неравномерности деформации и образованию трещин.

Контролируемыми параметрами механических свойств стали являются относительное удлинение и относительное сужение.

Для глубокой, сложной и особо сложной вытяжки используют малопрочные (280-330 МПа), высокопластичные (33-45 %) стали 05, 08, 10 всех видов раскисления. Их поставляют в виде тонкого холоднокатаного листа, подвергнутого рекристаллизационному отжигу при температуре 650-690 °С.

Рис. 9.2. Схема изменения размера зерна (ГОСТ 5639-82): а — № 6 — 0,044 мм; б — № 7 — 0,031 мм; в — № 8 — 0,022 мм; г — № 9 — 0,015 мм.

Широко применяют кипящие стали 05кп, 08кп и Юкп. Способность этих сталей хорошо штамповаться обусловлена низким содержанием углерода и почти полным отсутствием кремния, который сильно упрочняет феррит и затрудняет его деформируемость. Для глубокой вытяжки чаще всего используют сталь 08кп. Из нее штампуют детали кузова автомобиля, корпуса приборов и другие детали сложного профиля.

Кипящая сталь из-за повышенной газонасыщенности склонна к деформационному старению. В связи с этим для холодной штамповки используют сталь, микролегированную ванадием 08Фкп (0,02-0,04 % V) или алюминием 08Юкп. Ванадий и алюминий связывают примеси внедрения (азот, кислород) в прочные химические соединения и препятствуют развитию деформационного старения. Применяются также полуспокойные и спокойные стали 08пс и 08, которые, несмотря на меньшую пластичность, обладают более высокой стабильностью свойств.

Свариваемость — способность получения качественного сварного соединения. Важно предупредить возникновение в сварном шве различных дефектов: пор, непроваров и, главным образом, трещин. Характеристикой свариваемости металла служат количество допускаемых способов сварки и простота ее технологии.

Свариваемость стали тем выше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов. Влияние углерода является определяющим. Причина холодных трещин — внутренние напряжения, возникающие при структурных превращениях, особенно мартенситном, в результате местной закалки (подкалки). Увеличивая объемный эффект мартенситного превращения, углерод способствует также образованию холодных трещин. В связи с этим высокой свариваемостью обладают стали, содержащие до 0,25 % С. К ним относятся углеродистые стали (СтО, Ст1-Ст4; 0,5, 08, 10, 15, 20, 25), а также низколегированные, применяемые для изготовления различных металлоконструкций: стали для трубопроводов, мостостроения, вагоностроения, судостроения 09Г2(Д), 09Г2С, 14Г2, 15ГФ(Д), 16ГС, 17ГС и др.; стали с карбонитридным упрочнением, применяемые для мостов, металлоконструкций цехов, кранов, резервуаров 14Г2АФ(Д), 15Г2СФ(Д), 16Г2АФ и др. Эти стали содержат небольшие добавки ванадия в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0,025 %). Введение этих элементов способствует образованию дисперсных карбонитридных фаз, измельчающих зерно. В результате повышается прочность стали, и понижается температура перехода в хрупкое состояние. Это дает возможность применять такие стали в районах с холодным климатом. При добавлении меди (буква Д в марке) стали приобретают повышенную стойкость к атмосферной коррозии.

Сварка всех этих сталей при толщинах до 15 мм не вызывает затруднений. Сварка таких же сталей больших толщин и в термически упрочненном состоянии требует подогрева и термической обработки. При сварке углеродистых и низколегированных сталей, содержащих более 0,3 % С, возникают затруднения из-за возможности закалки и охрупчивания око- лошовной зоны. Сварка высокохромистых и хромоникелевых сталей в связи с неизбежными фазовыми превращениями в металле требует специальных технологических приемов — снижения скорости охлаждения, применения защитных атмосфер и последующей термической обработки.