Сталь 45

Сталь 45 — это сплав углеродистого типа, из категории качественных конструкционных металлов. Имеет твердую поверхность и высокую прочность структуры. Обладает устойчивостью к истиранию, трению, ударам. Подходит для изготовления деталей, эксплуатируются в условиях интенсивных нагрузок.

Металлоизделия из этой стали могут эксплуатироваться в неблагоприятных климатических условиях. Материал устойчив к перепадам атмосферной температуры. Но сплав имеет относительно низкую стойкость к коррозии, использовать на открытых участках следует металлопрокат, прошедший дополнительную обработку цинком или серебрянкой.

ГОСТы, характеристики, расшифровка маркировки

Сталь с номенклатурным номером 45 выпускается под контролем ГОСТа 1050-2013. Этот документ определяет возможные методы получения металлопродукции, виды допустимых отделок поверхности, химический состав, свойства стали и форму выпуска. Данный регламент заменил госстандарт 1050-88 (до этого свою силу имел ГОСТ 1050-74).

По действующему документу сталь 45 по виду выпуска может быть калиброванной, горячекатаной, кованой, а также с поверхностной отделкой. Выпускается как с термической обработкой, так и без нее. Классифицируется сплав и по степени раскисления. Индекс этого параметра указывается в маркировке:

• «кп» — означает, что это кипящая сталь. В нее добавляется марганец;
• «сп» — это спокойный металл. Для его получения в состав вводят марганец или кремний для удаления кислорода;
• «пс» — говорит о том, что сплав полуспокойный (это среднее между первым и вторым вариантом);
• без индекса — также указывает на то, что сталь спокойная.

Чем спокойнее сплав, тем более однородной будет его структура.

ГОСТ 1050-2013 также определяет и факт внепечной обработки. На металлопродукцию, выпускаемую из Ст45 распространяются и другие стандарты, ведь по форме поставки она бывает:

• полосовой (контролируется регламентами 103, 4405);
• в прутках или мотках с гладким круглым, квадратным или шестигранным сечением (нормативы 2879, 8560, 8559, 1133, 7417);
• в виде профилей для производства шайб косого вида (распространяется документ 5157).

Но перечень ГОСТов (как и сортамент металлоизделий из стали 45) намного шире:

• фасонный и сортовой металлопрокат изготавливается по регламентам 10702, 2590 и 2591. Свою силу имеют также нормативы 8240, 8510 и 2879;
• толстый прокат листового типа выпускается по ГОСТам 19903 и 1577;
• тонколистовой металлопрокат — по стандарту 16523;
• металлоизделия ленточного вида производятся по нормам документа 2284;
• трубопрокат изготавливается в соответствии с условиями госстандартов 8731, 8732 и 8734. Действует и регламент 8733.

Размеры и вес металлопродукции определяются документами, которые распространяются на каждый вид металлоизделий.

Востребованность этой стали обуславливается особым химическим составом, который влияет на ее физико-механические и технологические свойства.

Расшифровка марки стали будет следующей:

• значение «Ст» указывает на то, что рассматриваемый сплав является нелегированным углеродистым обыкновенным;
• цифровой индекс «45» указывает на то, сколько углерода содержится в стали 45. Расшифровка этого параметра измеряется в сотых долях процента. Это означает, что в представленном сплаве общий объем данного химического элемента находится в пределах 0,45%.

В маркировке могут быть и другие буквы (например, Х, ХН или Л). Расшифровка стали с дополнительным индексом такая:

• Ст45Х — это сплав, в составе которого имеется хром в концентрации около 1%;
• Ст45ХН — это марка стали с повышенным содержанием хрома и никеля;
• Ст45Л — наличие этой буквы в конце маркировки указывает на то, что сплав конструкционный литейный, относящийся к классу качественных легированных металлов.

В состав стали 45 входит в минимальных пропорциях еще 8 компонентов.

Химический состав (по ГОСТ 1050-2013)

Основа этого сплава состоит из железа (феррума, Fe). Этот компонент представлен в количестве около 97%. В качестве дополнительных добавок использованы:

• кремний. Данное вещество допустимо в пропорциях от 0,17 до 0,37%. Он сохраняет вязкость сплава, увеличивает его прочность, упругость;
• марганец. Концентрация этого элемента может быть в пределах от 0,50 до 0,80%. Его наличие хорошо влияет на свойства металла. Благодаря марганцу сталь приобретает способность выдерживать воздействия высоких температур. Материал приобретает пластичность и упругость;
• фосфор. Это вредная добавка, отрицательно влияющая на характеристики и механические свойства стали. Поэтому ее концентрация не должна превышать параметра в 0,030%. Этот химический элемент, находясь в феррите, разрушает его кристаллическую решетку и значительно повышает температурные показатели в хрупкое состояние, что приводит к хладноломкости. Поэтому его объем в составе снижается или вовсе нейтрализуется иными добавками;
• сера. Также является вредной примесью, поэтому в составе ее может быть не больше 0,25%. Она увеличивает параметр истираемости металла;
• никель. Этот компонент делает сплав корозионно-стойким. Но учитывая то, что в представленной марке стали он добавляется в минимальном количестве (до 0,30%), существенного влияния на этот параметр не оказывает;
• медь. Аналогично предыдущему пункту.

Концентрация всех химических элементов (массовая доля) по ГОСТу 1050-2013 представлена в таблице:

Общий показатель содержания всех компонентов в сплаве можно увидеть на рисунке:

Механические и физические свойства

Характеристики этого сплава были получены в результате промышленно-лабораторных исследований. Процедуры проводились в особых температурных условиях (от +20 градусов по Цельсию и выше).

Основные физические свойства марки стали 45:

• благодаря концентрации углерода в составе в 0,45% значительно увеличилась твердость материала. Средний параметр для этого сплава равен 170 МПа;
• плотность находится в диапазоне 7826 кг/куб.м;
• коэффициент параметра теплопроводности для этой стали равен от 26 до 48 единиц (измеряется в Вт/м*Град);
• расширение линейного типа в условиях температуры внешней среды в +20 и более градусов составляет от 11,9 до 15,2 единиц (измеряется в 1/Град);
• теплоемкость сплава находится в пределах от 473 до 708 единиц (измеряется в Дж/кг*Град);
• модуль упругости составляет от 1,72 до 2,01 МПа.

Точные параметры твердости, прочности, теплопроводности зависят от температуры, в условиях которых слав подвергался анализу. Они представлены в таблице:

А вот главные механические свойства сплава в следующем:

• минимальный и максимальный предел прочности в зависимости от формы поставки стали находится в пределах 440-1030 единиц;
• минимальный и максимальный параметр пропорциональности на остаточную деформацию (то есть предел текучести) равен 323-355 единицам (измеряется тем же значением, что и в предыдущем случае);
• параметры удлинения при проверке на разрыв составляют от 6 до 16% в зависимости от формы поставки стали;
• сужение — от 30 до 40%;
• твердость материала находится в пределах 197-241 единиц (измеряется в МПа).

Заметим, что определяется твердость по Роквеллу и Бринеллю. В данном случае приведены значения по второму параметру (HB). По Роквеллу после низкого отпуска она равна 55-60 единицам, то есть МПа (по HRC).

Форма поставки важна для определения всех механических свойств сплава. В таблице ниже приведены все стандартизированные значения:

Влияет и сечение металлоизделий:

Также эти свойства могут меняться в зависимости от температурного отпуска:

Об изменениях в структуре стали и ее свойствах в результате термообработки расскажем ниже.

Технологические свойства

Из основных особенностей выделим:

• минимальную чувствительность к флокенам;
• отсутствие склонности к отпускной хрупкости;
• ограничения в свариваемости.

Параметры резки:

Термообработка

К возможным способам термической обработки Ст45 отнесем закалку, отжиг, нормализацию и отпуск. Все эти манипуляции влияют на структурные изменения металла. Объясним более подробно:

• исходное состояние сплава представляют собой два смешанных между собой компонента (феррита и цементита);
• когда осуществляется закалка, феррит растворяется в аустените;
• структура приобретает однородный состав.

Любая термическая обработка при повышенных температурах меняет ферритно-атомную решетку железа, в результате чего растворяются углеродные частицы и приобретают иное состояние. То же самое происходит и с активными добавками. Все это приводит к улучшению качественных характеристик сплава. Структура стали 45 после закалки становится более плотной, пластичной и твердой.

Но все эти изменения происходят лишь тогда, когда температура поднимается до определенных параметров. У каждой марки стали критические точки свои. Относительно Ст45, они приведены в таблице ниже:

Отжиг стали может быть:

• первого рода (структура сплава не меняется, применяется для выравнивания химического состава сырья);
• второго рода (заметны значительные структурные трансформации в металле).

В первом случае сталь нагревают до температуры в 1250 градусов и выдерживают ее в таких условиях в течение 8-15 часов. После этого показатель снижается до 670 градусов. Заготовка оставляется на 30-120 минут. Чтобы уменьшить остаточное напряжение, осуществляется постепенный отпуск с понижением температуры до 500 градусов и ниже.

Отжиг второго рода (ΙΙ-го рода) представляет собой нагрев стали выше температуры изменения структурной решетки железа с медленным охлаждением.

Полный отжиг проводится в условиях нагрева сплава на 30 или 50 градусов выше критической точки А3. Скорость охлаждения составляет 30–100 градусов по Цельсию в час.

Закалка представляет собой более сложный процесс. Температура нагрева повышается на 20 или 40 градусов выше предельной точки растворения феррита. Обычно этот параметр для Ст45 находится в пределах 840-860 градусов по Цельсию. Затем осуществляется относительно быстрое охлаждение заготовки в масле или воде. Температура отпуска стали 45 составляет 550-650 градусов.

Закалка ТВЧ (токами высокой частоты) относится к поверхностной термообработке. Ее основная задача заключается в получении прочности наружного слоя. Причем важно, чтобы показатели вязкости сердцевины остались неизменными. Процедура проводится в индукционных печах путем подачи высокочастотного тока. Учитывая то, что тепло распространяется на поверхности металлопроката, именно здесь и происходит упрочнение сплава.

Ударная вязкость Ст45 представлена в таблице:

Предел выносливости составляет:

Параметры прокаливаемости стали представлены в таблице:

Из возможных вариантов термического воздействия допустима также ковка. Она осуществляется при следующих условиях:

Температура плавления этого сплава до жидкого кристаллического состояния превышает показатель в 1280 градусов по Цельсию.

Проверка металла на качество в домашних условиях

Чтобы узнать, закалена ли сталь, достаточно использовать обычный паяльник. Для этого его необходимо нагреть и провести по поверхности металлоизделия. Если конец паяльника прилипает, это будет указывать на то, что металл не закален. В таком случае необходимо провести самостоятельную процедуру термообработки.

Заранее следует подготовить:

• кузнечные клещи или инструмент, который будет походить на них;
• емкость с водой;
• емкость с машинным маслом.

Далее нужно:

• развести огонь на открытом воздухе;
• когда он разгорится, положить прокаливаемую заготовку прямо на угли (желательно, чтобы они были белого цвета, ведь это указывает на их максимальную температуру нагрева);
• как только материал разогреется, достать его и опустить в емкость с маслом. Обмакните следует его несколько раз с интервалом в 3-5 секунд;
• опустить металлоизделие в воду.

Полезные приемы при сверлении, выбор сверла

Учитывая то, что Ст45 относительно твердая, она плохо поддается сверлению. Но в данном случае есть несколько рекомендаций:

• заранее обработайте поверхность серной, хлорной или любой другой кислотой;
• нанесите на место сверления масло или доступный смазочный материал, чтобы уменьшить трение;
• возьмите специальное сверло, которое подходит для каленой стали.

При выборе инструментов для сверления учитывайте производителя (следует отдавать предпочтение известным маркам, так как это говорит о качестве), назначение (выбирайте для работы с закаленными сталями), угол заточки. Оптимальным решением в соотношении цены и качества может сталь победитовое сверло.

Аналоги

Из отечественных заменителей выделим: 40Х, Ст50, Ст50Г2. Основные отличия заключаются в химическом составе, что сказывается и на свойствах металла. В первом случае содержание углерода находится в пределах 0,40%, в сплаве есть хром. Повышена концентрация углерода и в марках Ст50, Ст50Г2. Во втором случае отмечается большое количество марганца в составе.

Зарубежные аналоги стали 45 представлены в таблице:

Применение

Используется этот сплав в различных сферах промышленности: станко-, вагоно-, машино-, автомобилестроении. Благодаря своим характеристикам нашел он и применение в строительстве. В данном случае используются металлоизделия (листы, трубы и прочая металлопродукция), изготовленные из Ст45.

Из этой марки выпускают:

• рабочие инструменты (например, плоскогубцы или ручные тиски);
• шестеренки;
• валы;
• трубопрокат бесшовного типа;
• шпиндели.

Изготавливается также шестигранник из стали 45, а еще цилиндры и кулачки для установки в патроны промышленных станков.