Углеродистая конструкционная сталь — рабочая лошадка машиностроения: дёшева, доступна, прочна и хорошо обрабатывается. Но даже среди трёх самых ходовых марок — Ст3, 20 и 45 — разница принципиальная. Ст3 — мягкий прокат для несварных и сварных конструкций, сталь 20 цементуют ради твёрдой поверхности при вязкой сердцевине, а сталь 45 калят и улучшают ради высокой прочности валов и осей. Содержание углерода растёт от десятых долей процента к почти половине, и вместе с ним меняются прочность, свариваемость и способность к закалке. Разберём, где какая сталь на своём месте.
Что определяет свойства углеродистой стали
Ключевой параметр углеродистой стали — содержание углерода. Чем его больше, тем выше прочность и твёрдость после термообработки, но тем хуже свариваемость и пластичность. До ~0,25 % углерода сталь считается низкоуглеродистой: она хорошо варится, но плохо калится. От 0,3 до 0,5 % — среднеуглеродистая: её можно закалить на высокую твёрдость, но варить сложнее. Маркировка тоже несёт смысл: «Ст3» — сталь обыкновенного качества по ГОСТ 380 (углерод не нормируется точно), а «20» и «45» — качественные стали по ГОСТ 1050, где число означает сотые доли процента углерода (0,20 % и 0,45 %).
Ст3: прокат и сварные конструкции
Ст3 (Ст3сп — спокойная, Ст3пс — полуспокойная) содержит примерно 0,14-0,22 % углерода. Это самая массовая сталь для проката: швеллеры, уголки, листы, балки, рамы, нерасчётные металлоконструкции. Предел прочности около 370-490 МПа, текучести — от 245 МПа. Главные достоинства — низкая цена и отличная свариваемость без подогрева. На закалку Ст3 практически не отзывается, твёрдую поверхность из неё не получить. Применяйте там, где важны жёсткость и свариваемость, а не износостойкость: сварные основания, кронштейны, опоры, корпуса оснастки.
Сталь 20: цементация и вязкая сердцевина
Сталь 20 (0,17-0,24 % C) — низкоуглеродистая качественная сталь. Сама по себе она прочнее Ст3 и стабильнее по составу, отлично варится и штампуется. Но её главная «фишка» — цементация: насыщение поверхностного слоя углеродом с последующей закалкой. После цементации поверхность набирает твёрдость 58-62 HRC и износостойкость, а сердцевина остаётся вязкой и ударопрочной. Так делают шестерни, втулки, пальцы, кулачки, оси малонагруженных механизмов — детали, у которых должна быть твёрдая рабочая поверхность при сопротивлении ударным нагрузкам.
Сталь 45: закалка и улучшение
Сталь 45 (0,42-0,50 % C) — самая популярная среднеуглеродистая сталь для нагруженных деталей. Без термообработки её прочность около 600 МПа, но настоящий потенциал раскрывается после улучшения (закалка + высокий отпуск): сталь получает прочный и одновременно вязкий комплекс свойств. Закалка с низким отпуском даёт твёрдость до 50-55 HRC. Из стали 45 изготавливают валы, оси, шпиндели, зубчатые колёса, шатуны, штоки, крепёж — всё, что несёт серьёзную механическую нагрузку. Минусы: варится плохо (нужен подогрев и термообработка шва), при закалке склонна к короблению и трещинам на резких переходах.
Сравнение по составу и свойствам
| Параметр | Ст3сп | Сталь 20 | Сталь 45 |
|---|---|---|---|
| ГОСТ | 380 | 1050 | 1050 |
| Углерод, % | 0.14-0.22 | 0.17-0.24 | 0.42-0.50 |
| Плотность, г/см³ | 7.85 | 7.85 | 7.81 |
| σв (без ТО), МПа | 370-490 | ≈ 410 | ≈ 600 |
| Твёрдость после ТО | не калится | 58-62 HRC (цемент.) | 50-55 HRC (закалка) |
| Свариваемость | отличная | хорошая | ограниченная |
| Типовое применение | прокат, рамы | шестерни, втулки | валы, оси, шпиндели |
Защита от коррозии
Все углеродистые стали ржавеют, поэтому готовые детали почти всегда требуют защитного покрытия: цинкования (гальванического или горячего), фосфатирования, оксидирования (воронения), порошковой окраски или лакокрасочного покрытия. Для деталей, работающих в масляной среде закрытого механизма, иногда достаточно консервационной смазки. Если коррозионная стойкость критична, а покрытие не вариант — стоит рассмотреть переход на нержавеющую сталь.
Углерод — это рычаг: чем его больше, тем прочнее и твёрже сталь после закалки, но тем хуже она варится. Выбор марки — это всегда поиск точки на этом рычаге под конкретную деталь.
Подбор марки под деталь
Определите функцию детали: несущая сварная конструкция — Ст3; деталь с твёрдой изнашиваемой поверхностью и ударами — сталь 20 под цементацию; нагруженный вал или ось — сталь 45 под улучшение. В расчёте МЕТГЕН выберите марку и вид термообработки в конфигураторе — система покажет цену механообработки и срок с учётом операций ТО.