Сталь 15: характеристики, химический состав, свойства по ГОСТ 1050-2013

Сталь 15: справочные таблицы

Широкие таблицы прокручиваются по горизонтали, первая колонка при этом остаётся на месте.

Что такое сталь 15: расшифровка марки и класс

Сталь 15 — нелегированная качественная конструкционная сталь с содержанием углерода 0,12–0,19 % по ГОСТ 1050-2013. Число «15» — средний углерод в сотых долях процента. Марка существует в трёх разновидностях: 15 — спокойная, 15пс — полуспокойная, 15кп — кипящая. На 15пс и 15кп ГОСТ 1050-2013 распространяется только в части химического состава; для спокойной стали 15 он нормирует ещё свойства после нормализации, твёрдость и свойства калиброванного проката.

В ряду низкоуглеродистых сталей сталь 15 стоит между сталью 10 и сталью 20: прочнее первой, пластичнее второй. Её структура в нормализованном состоянии — феррит с небольшой долей перлита: по правилу отрезков на диаграмме железо — углерод при 0,155 % углерода перлита около (0,155 − 0,02)/(0,80 − 0,02) ≈ 17 %. Типичные задачи для такой стали — холодная высадка, штамповка и цементация деталей, которым нужна вязкая сердцевина при твёрдой поверхности.

Справочные таблицы построены так: состав и опции — 2–4, нормы ГОСТ 1050 — 5–8, режимы образцов — 9, холодная высадка — 10–12, цементация — 13, сравнение и различение марок — 14–15, расчёты — 16–17, входной контроль — 18, масса — 19–20.

Химический состав стали 15, 15пс и 15кп по ГОСТ 1050-2013

По таблице 1 ГОСТ 1050-2013 сталь 15 содержит 0,12–0,19 % углерода, 0,17–0,37 % кремния, 0,35–0,65 % марганца, не более 0,030 % фосфора и 0,035 % серы, не более 0,25 % хрома и по 0,30 % никеля и меди (таблица 2). У 15пс кремния 0,05–0,17 %, у 15кп — не более 0,07 %, а марганца 0,25–0,50 %. Мышьяк ограничен 0,08 %, азот — от 0,006 до 0,012 % в зависимости от способа выплавки и вида продукции.

Стандарт допускает несколько отступлений (таблица 3). Для листа под холодную штамповку из 15пс нижний предел марганца можно снижать до 0,25 % (п. 5.1.3). Для спокойной стали 15 нижний предел марганца допускается снижать не более чем на 0,20 % при выполнении норм механических свойств (п. 5.1.6). При выплавке из лома хром и никель допускаются до 0,40 % каждого с указанием в документе о качестве (п. 5.1.7).

Механические свойства стали 15 после нормализации

Таблица 4 ГОСТ 1050-2013 нормирует для стали 15 предел текучести не менее 225 Н/мм², временное сопротивление не менее 370 Н/мм², удлинение не менее 27 % и сужение не менее 55 % (таблица 5). Нормы относятся к образцам из нормализованных заготовок 20–25 мм, а для проката тоньше 25 мм — к нормализованным пробам профиля поставки. Для проката 80–180 мм удлинение и сужение снижаются до 25 и 50 %, свыше 180 мм — до 24 и 45 % (п. 7.1.17.1). На 15пс и 15кп эти нормы не распространяются.

Твёрдость стали 15 и калиброванный прокат

Марочная твёрдость стали 15 по таблице 6 ГОСТ 1050-2013 (код ТВ2): не более 149 HB для горячекатаного металла без термообработки, 197 HB для калиброванного нагартованного и 149 HB для калиброванного после отжига (таблица 6). Твёрдость горячекатаного металла после отжига стандарт не нормирует. Без кода ТВ2 действуют общие пределы ТВ1 — 255 и 269 HB, а код ТВ3 разрешает нагартованному прокату до 212 HB.

Калиброванный прокат по коду М2 (таблица 7) в нагартованном состоянии имеет σв не менее 440 Н/мм² при удлинении 8 % и сужении 45 %, в отожжённом — 340 Н/мм², 23 % и 55 %. Нагартовка поднимает прочность на 100 Н/мм², почти втрое снижая удлинение. Нормы ГОСТ 10702-2016 для проката под высадку строже: горячекатаная сталь 15 — не более 143 HB (раздел 9).

Что ГОСТ 1050-2013 не нормирует для стали 15

Для правильного заказа важно знать не только нормы, но и их отсутствие (таблица 8). Стали 15 нет в таблице 10 — свойств после закалки и высокого отпуска (код М5) для неё стандарт не устанавливает. Нет её и в таблице 11 — ударную вязкость после улучшения (код КУВ1) нормируют только для марок 25–50 (п. 7.2.43). Не предусмотрены для стали 15 твёрдость после закалки (только 45, 50, 50А), полоса прокаливаемости (35, 40, 45), состав для патентированной проволоки (35–60) и код обезуглероживания 3С (стали с нижним пределом углерода от 0,30 %).

Причина понятна по назначению стали: улучшение и сквозная закалка для неё нехарактерны, а упрочнение поверхности достигается цементацией. Если ударная вязкость всё же нужна, её заказывают кодами КУВ2 (KCU при −40 °C) или КУВ3 (KCV при заданной температуре) со значениями, согласованными в заказе. Для деталей под улучшение выбирают среднеуглеродистые стали — 30, 35, 45.

Режимы термообработки образцов стали 15: нормализация 900 °C

Приложение Ж ГОСТ 1050-2013 рекомендует для стали 15 нормализацию образцов при 900 °C с охлаждением на воздухе, а для испытаний на ударный изгиб — закалку с 880 °C в воде и низкий отпуск при 200 °C продолжительностью 2 ч (таблица 9). Низкий отпуск отличает режим для стали 15 от режимов для среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40 и 50, образцы которых для ударной вязкости отпускают при 600 °C.

Эти режимы относятся к образцам для контроля свойств металла, а не к технологии изготовления деталей. Нормализация при 900 °C выше расчётной Ac3 стали 15 (около 825–856 °C, таблица 17) на 45–75 °C, что обеспечивает полную перекристаллизацию и выравнивание структуры перед испытанием.

Цементация стали 15

Сталь 15 — типичный материал для цементации: углерода в ней мало, поэтому после насыщения поверхности углеродом, закалки и низкого отпуска деталь получает твёрдый износостойкий слой и вязкую сердцевину. По сравнению со сталью 10 у неё выше прочность сердцевины (σт после нормализации 225 против 205 Н/мм²), по сравнению со сталью 20 — выше пластичность.

Общая технология цементации низкоуглеродистых сталей по учебному курсу термической обработки сведена в таблице 13. Насыщение ведут при 900–930 °C — в аустенитной области: расчётная Ac3 стали 15 лежит около 825–856 °C. Углерод в поверхностном слое стараются держать не выше 1,1–1,2 %, иначе по границам зёрен выделяется хрупкий вторичный цементит. При твёрдой цементации ориентир скорости — около 5 ч выдержки на 1 мм слоя. После цементации деталь закаливают — непосредственно с температуры цементации, с повторного нагрева до 850–900 °C или двойной закалкой с 850–900 °C и затем с 760–800 °C — и отпускают при 150–200 °C. Типичная твёрдость поверхности — 58–62 HRC.

Величина зерна стали 15 и метод цементации по п. 9.17 ГОСТ 1050

Цементация связана со сталью 15 не только как технология упрочнения, но и как метод контроля. По п. 9.17 ГОСТ 1050-2013 величину зерна сталей с содержанием углерода до 0,25 % определяют методом цементации или окисления. Принцип метода цементации: образец насыщают углеродом при высокой температуре, при медленном охлаждении по границам бывших аустенитных зёрен выделяется сетка цементита, и размер зерна оценивают по ней под микроскопом.

Для деталей, которые будут цементовать, величина зерна важна напрямую: при длительной выдержке при 900–930 °C склонная к росту зерна сталь даёт крупнозернистую структуру, и после закалки слой и сердцевина становятся более хрупкими. Поэтому контроль зерна методом, моделирующим саму цементацию, для таких сталей логичен. Если требования к зерну важны для изделия, их оговаривают в заказе.

Сталь 15 для холодной высадки по ГОСТ 10702-2016

Для холодной объёмной штамповки и высадки сталь 15 во всех трёх разновидностях поставляют по ГОСТ 10702-2016 (таблицы 10–12). Состав меняется незначительно: в 15пс кремний ограничен 0,10 %, а для спокойной стали 15 нижний предел марганца допускается снижать до 0,20 % (п. 4.2). Твёрдость горячекатаного проката без термообработки — не более 143 HB, калиброванного нагартованного — 187 HB для 15кп и 15пс и 197 HB для 15; после термообработки — 125 и 149 HB.

Термообработанный калиброванный прокат должен иметь σв 360–470 Н/мм² после отжига или 320–420 Н/мм² после сфероидизирующего отжига при сужении не менее 55 %. Нагартованный — σв не менее 440 Н/мм², удлинение 8 %, сужение 45 % для стали 15 и 390 Н/мм², 8 % и 50 % для 15кп и 15пс.

15кп и 15пс: когда достаточно кипящей или полуспокойной стали

Кипящая 15кп и полуспокойная 15пс отличаются от спокойной стали 15 кремнием (не более 0,07 % и 0,05–0,17 % против 0,17–0,37 %), а 15кп — и более низким марганцем (таблица 15). Для них ГОСТ 1050-2013 нормирует только химический состав, поэтому свойства ищут в стандарте на продукцию. По ГОСТ 10702-2016 15кп и 15пс мягче стали 15 в нагартованном состоянии (не более 187 против 197 HB) и имеют меньшую минимальную прочность (390 против 440 Н/мм²) при более высоком сужении (50 против 45 %).

Где это важно. Для высадки и штамповки, где нужна максимальная пластичность, кипящая или полуспокойная сталь бывает предпочтительнее. Для цементуемых деталей, сварных узлов и изделий, где нужны гарантированные свойства по ГОСТ 1050, заказывают спокойную сталь 15. Различить разновидности по анализу металла можно по кремнию; в документе о качестве индекс раскисления должен быть указан явно.

Свариваемость стали 15

Сталь 15 хорошо сваривается. Расчётный углеродный эквивалент C + Mn/6 по пределам ГОСТ 1050-2013 составляет 0,18–0,30 %, а по формуле Международного института сварки с остаточными элементами на верхних пределах — не более 0,39 % (таблица 16). Это выше, чем у стали 10 (около 0,19 % в середине диапазона), но ниже, чем у стали 20 (около 0,29 %).

Особый случай — цементованные детали: в цементованном слое углерода может быть до 1,1–1,2 %, и сваривать по нему без удаления слоя нельзя; сварку выполняют до химико-термической обработки. Гарантию свариваемости металла при необходимости оформляют кодом ГС с согласованием формулы и предела эквивалента (п. 7.2.18). Для несущих сварных конструкций с более высокими требованиями к прочности применяют низколегированные стали, например 09Г2С или 17Г1С.

Сталь 15, 10 или 20: что выбрать

Три соседние марки отличаются только углеродом, и выбор между ними — это выбор между пластичностью и прочностью (таблица 14).

• 10 — максимальная пластичность (δ5 31 %), самая мягкая для высадки (137 HB по ГОСТ 10702), но наименее прочная сердцевина при цементации.
• 15 — компромисс: σт 225 Н/мм², δ5 27 %, твёрдость горячекатаного проката под высадку не более 143 HB. Доступны опции пониженных серы и фосфора по пп. 7.2.8–7.2.9, которых нет для стали 10.
• 20 — наибольшая прочность из трёх (σт 245 Н/мм², σв 410 Н/мм²) и более прочная сердцевина цементованных деталей, но выше твёрдость в поставке и углеродный эквивалент.

По углероду сталь 15 перекрывается и со сталью 10 (0,12–0,14 %), и со сталью 20 (0,17–0,19 %), поэтому по анализу металла эти марки различаются не всегда. От стали обыкновенного качества Ст3 сталь 15 отличается классом: в ней строже ограничены сера, фосфор и остаточные элементы, а свойства нормируются после нормализации.

Сера и фосфор в стали 15: опции 7.2.8 и 7.2.9

Базовые пределы стали 15 по ГОСТ 1050-2013 — фосфор не более 0,030 %, сера не более 0,035 %. По заказу их можно снизить до 0,025 % каждого (п. 7.2.9) или до 0,015 % каждого (п. 7.2.8). Эти опции стандарт предусматривает для марок от 15 до 50; для сталей 08 и 10 их нет. Обратная опция — сера в диапазоне 0,020–0,040 % (п. 7.2.7) — улучшает обрабатываемость резанием на автоматах.

Пониженные сера и фосфор полезны для деталей, которые испытывают знакопеременные и ударные нагрузки, и для холодной высадки с большими степенями деформации: сульфидные включения и фосфор снижают пластичность. Код в заказе указывают явно — без него действуют базовые пределы таблицы 1.

Аналоги стали 15: что можно утверждать

Близкие по назначению марки есть в европейском стандарте на цементуемые стали (C15E, C15R по EN ISO 683-3), в американской системе SAE (1015) и в японском JIS G4051 (S15C, S15CK). Составы этих марок на странице не приводятся: тексты зарубежных стандартов для них не сверены. Поэтому их следует рассматривать как близкие по назначению, а не как полностью совпадающие со сталью 15.

При замене стали 15 зарубежной маркой сравнивают требования к конкретной детали: фактический состав плавки, свойства после нормализации, твёрдость для высадки, пригодность к цементации. Соответствие подтверждают сертификатом и испытаниями по нормам ГОСТ 1050-2013 или ГОСТ 10702-2016.

Критические точки стали 15 и температура нагрева

Расчёт по эмпирическим формулам Эндрюса (таблица 17) даёт для стали 15 Ac1 около 716–734 °C, Ac3 около 825–856 °C и начало мартенситного превращения около 431–478 °C. Эти оценки согласуются с рекомендованными ГОСТ 1050-2013 режимами образцов: нормализация при 900 °C и закалка с 880 °C лежат выше Ac3, а цементация при 900–930 °C идёт в аустенитной области. Табличные значения критических точек из справочников на странице не приводятся.

Эмпирическая оценка максимальной твёрдости мартенсита по формуле HRC ≈ 20 + 60√C для 0,155 % углерода — около 44 HRC. Поэтому сама по себе сталь 15 закаливается до умеренной твёрдости, а высокую твёрдость поверхности даёт только цементация. Как используют точки Ac1 и Ac3 — в статье о критических точках стали.

Входной контроль, плотность и масса проката из стали 15

Перечень проверок — в таблице 18. Главное: ссылка на ГОСТ 1050-2013 или ГОСТ 10702-2016, марка с индексом раскисления, состав плавки, способ выплавки для оценки азота, заказанные коды (М1, М2, ТВ2, 7.2.8–7.2.9) и состояние поставки, от которого зависят нормы твёрдости. От сталей 10 и 20 сталь 15 отличается только углеродом, а диапазоны перекрываются; марку подтверждает документ о качестве и, при необходимости, оптико-эмиссионный или химический анализ.

Массу проката рассчитывают по плотности 7,85 г/см³, принятой в ГОСТ 2590-2006. Масса круга — в таблице 19, шестигранника — в таблице 20.

Значения теоретические; фактическая масса отличается на величину допусков сортамента. Режимы точения мягкой низкоуглеродистой стали можно подобрать в тренажёре режимов резания.

Вопросы и ответы о стали 15

Источники

1. ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия (с поправками; раздел 1, табл. 1, 3, 4, 6, 8–11, пп. 5.1.1, 5.1.3, 5.1.6–5.1.8, 7.1.16, 7.1.17.1, 7.2.7–7.2.9, 7.2.14, 7.2.18, 7.2.35, 7.2.43–7.2.45, 7.2.52, 9.17, прил. Ж).
2. ГОСТ 10702-2016. Прокат из качественной конструкционной углеродистой и легированной стали для холодной объёмной штамповки. Общие технические условия (п. 4.2, табл. 4–7).
3. ГОСТ 2590-2006. Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент (плотность для расчёта массы).
4. Учебные материалы по курсу термической обработки металлов (раздел «Химико-термическая обработка»), электронная образовательная среда технического университета — общая технология цементации.
5. Andrews K. W. Empirical formulae for the calculation of some transformation temperatures // Journal of the Iron and Steel Institute. 1965. Vol. 203 — формулы критических точек.
6. Just E., 1969 — эмпирическая зависимость максимальной твёрдости мартенсита от содержания углерода, приводимая в литературе по прокаливаемости сталей.