Автоматные стали представляют собой особую категорию конструкционных сталей, предназначенных для высокоскоростной механической обработки на токарных, револьверных и автоматных станках. Основное их преимущество — отличная обрабатываемость, достигаемая за счёт легирования серой, свинцом и другими элементами, влияющими на формирование стружки и снижение износа режущего инструмента. Однако в обмен на высокую технологичность эти стали частично теряют в механической прочности и пластичности, что делает особенно важным понимание их механических характеристик.
Для систематизации и сравнения свойств сталей в международной практике используются стандартизированные классификации. Наиболее распространёнными являются американская система AISI-SAE и британская система BS (British Standards). Ниже мы рассмотрим характеристики автоматных сталей в рамках этих систем, а также их типичные применения, исторические аспекты и инженерные особенности.
Появление автоматных сталей связано с развитием автоматизированной механической обработки в первой половине XX века. С переходом от ручной токарной обработки к производству на станках-автоматах возникла потребность в материалах, способных эффективно обрабатываться при минимальном участии оператора. Первые подобные стали начали разрабатываться в США в 1920–1930-х годах. Уже к 1940-м годам такие марки, как AISI 1212 и AISI 12L14, заняли прочные позиции в машиностроении.
В Великобритании аналогичная работа велась параллельно, что привело к созданию стандарта BS970, включающего автоматные марки, такие как 220M07 и 230M07Pb. Эти материалы нашли широкое применение в серийном производстве, особенно в автомобильной, приборостроительной и гидравлической промышленности.
Общие характеристики автоматных сталей
Автоматные стали обычно имеют следующие легирующие добавки:
-
Сера (S) — улучшает дробление стружки, облегчает отвод тепла, снижает силу резания.
-
Свинец (Pb) — действует как твёрдосмазочный компонент, увеличивает срок службы инструмента.
-
Фосфор (P) — в небольших количествах улучшает обрабатываемость и твёрдость.
-
Марганец (Mn) — способствует формированию благоприятной микроструктуры и связывает серу в виде MnS.
Эти элементы, однако, могут ухудшать пластичность и ударную вязкость стали, особенно при низких температурах. Поэтому автоматные стали применяются преимущественно в деталях, не испытывающих высоких динамических и ударных нагрузок.
Классификация и обозначения
Система AISI-SAE
Американский институт стали и сплавов (AISI) совместно с Обществом автомобильных инженеров (SAE) использует числовую систему обозначения сталей:
-
12XX — рефосфорированные и ресульфированные стали (например, AISI 1212, 1215)
-
11XX — ресульфированные, без фосфора (например, AISI 1117)
-
Суффикс L означает наличие свинца (например, AISI 12L14 — свинцовая версия 1214)
Британская система (BS)
В системе BS 970 автоматные стали обозначаются по схеме XXXMYY или XXXSYY:
-
Пример: 230M07Pb (углерод 0,23%, Mn, S, Pb)
-
Суффикс Pb указывает на свинец, S — на серу
-
Цифра 07 означает приблизительное содержание углерода (0,07%)
Механические свойства автоматных сталей
1. Прочность на растяжение (σв)
-
AISI 1215: предел прочности ~400–500 МПа
-
AISI 12L14: ~480–580 МПа
-
BS 230M07Pb: ~430–550 МПа
Добавление свинца практически не влияет на предел прочности, поскольку свинец не растворяется в феррите, а распределяется в виде включений. Однако он снижает вязкость и ударную прочность.
2. Твёрдость (HB)
-
AISI 12L14 в состоянии поставки: ~130–180 HB
-
AISI 1117: ~160 HB
-
Твёрдость может быть увеличена термической обработкой, но автоматные стали редко подвергаются закалке.
3. Относительное удлинение (δ)
-
В среднем: 10–20% для мягких состояний
-
У AISI 12L14 удлинение редко превышает 15%, особенно при высокой концентрации серы и свинца.
4. Ударная вязкость (KCU)
-
Значительно ниже, чем у нелегированных конструкционных сталей.
-
Наличие серы и свинца способствует хрупкому разрушению при динамических нагрузках.
Примеры конкретных марок и их применение
AISI 12L14
-
Состав: C ~0.15%, Mn ~0.85%, S ~0.25%, Pb ~0.35%
-
Область применения: высокоточные оси, втулки, соединительные элементы в гидравлике
-
Особенности: выдающаяся обрабатываемость — до 190% по сравнению с эталоном AISI 1212
AISI 1215
-
Более мягкий аналог 12L14 без свинца, используется при невысоких требованиях к прочности
-
Часто применяется в деталях массового производства: муфты, прокладки, штифты
BS 220M07 / 230M07Pb
-
Используются в британском и европейском машиностроении
-
Аналоги AISI 1214 и 12L14
-
Применяются в токарной и автоматной обработке в массовом производстве деталей
Сравнительная таблица (AISI vs BS)
| Характеристика | AISI 12L14 | AISI 1215 | BS 230M07Pb |
|---|---|---|---|
| Предел прочности (МПа) | 480–580 | 400–500 | 430–550 |
| Твёрдость (HB) | 130–180 | 120–160 | 130–170 |
| Удлинение (%) | ~15 | ~18 | ~14 |
| Обрабатываемость (AISI %) | 190–200 | 150 | ~180 |
| Сварка | Не рекомендуется | Не рекомендуется | Ограничена |
Инженерные замечания
-
Автоматные стали не подходят для сварки и холодной штамповки. Наличие серы и свинца приводит к горячим трещинам и расслоению.
-
Не применяются в силовых элементах конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам.
-
Термообработка используется ограниченно: в основном отжиг или нормализация для снятия напряжений.
B Таблице 1 и 2 приведены механические свойства автоматных ресульфированных и рефосфорированных сталей по классификации сталей Америки AISI-SAE и стандартам BS.
Таблица 1. Механические свойства ресульфированных и рефосфорированных сталей по классификации AISI-SAE
| AISI | Условия
получения |
Предел прочности
на растяжение [МПа] |
Предел
текучести [МПа] |
Удлинение
[%] |
Твердость
HB |
Удар при
испытании Изода [Дж] |
| 1117 | Прокат | 490 | 305 | 33 | 140 | 80 |
| N 900°С | 470 | 300 | 34 | 140 | 85 | |
| А 855°C | 430 | 280 | 33 | 120 | 94 | |
| 1118 | Прокат | 520 | 320 | 32 | 150 | 110 |
| N 925°C | 480 | 320 | 34 | 140 | 103 | |
| А 790°C | 450 | 285 | 35 | 130 | 106 | |
| 1137 | Прокат | 630 | 380 | 28 | 190 | 83 |
| N 900°C | 670 | 400 | 23 | 200 | 64 | |
| А 790°C | 585 | 345 | 27 | 170 | 50 | |
| WQ, Т 200°C | 1500 | 1165 | 5 | 415 | — | |
| WQ, Т 650°C | 650 | 530 | 25 | 190 | — | |
| 1141 | Прокат | 675 | 360 | 22 | 190 | 11 |
| N 900°C | 710 | 405 | 23 | 200 | 53 | |
| А 790°C | 600 | 350 | 26 | 160 | 34 | |
| Q, Т 200°C | 1630 | 1210 | 6 | 460 | — | |
| Q, Т 650°C | 710 | 590 | 23 | 220 | — | |
| 1144 | Прокат | 700 | 420 | 21 | 210 | 53 |
| N 900°C | 670 | 400 | 21 | 200 | 43 | |
| Q, Т 200°C | 880 | 630 | 17 | 280 | — | |
| Q, Т 650°C | 720 | 500 | 23 | 220 | — |
Примечание: Q — закаленный в масле, WQ — закаленный в воде, Т — отпущенный, N — нормально цементованный, A — отожженный.
Таблица 2. Механические свойства автоматных сталей по британскому стандарту BS
| BS | Условия
получения |
Предел прочности
на растяжение [МПа] |
Предел текучести
[МПа] |
Удлинение
[%] |
Твердость
HB |
Удар при
испытании Изода [Дж] |
| 212M36 | Q, Т 550…660°C | 550…700 | 340 | 20 | 150…210 | 25 |
| 214M15 | Q | 590 | — | 13 | — | 35 |
| 216M36 | Q, Т 550…660°C | 550…700 | 380 | 15 | 150…210 | 25 |
| 216M44 | Q, Т 550…660°C | 700…850 | 450 | 15 | 200…255 | 15 |
| 220M07 | N 900…930°C | 360 | 215 | 22 | >103 | — |
| 226M44 | Q, Т 550…660°C | 700…850 | 450 | 16 | 200…255 | 20 |
| 230M07 | N 900…930°C | 360 | 215 | 22 | >103 | — |
Примечание: Q — закаленный в масле, Т — отпущенный, N — нормально цементованный.
Автоматные стали по системам AISI-SAE и BS играют важную роль в современной металлообработке благодаря высокой обрабатываемости и стабильности размеров при точении. Их уникальные свойства позволяют эффективно изготавливать массовые детали с высокой точностью, что делает их незаменимыми в таких отраслях, как автомобилестроение, приборостроение и производство фитингов.
Тем не менее, инженер должен чётко понимать ограничения этих сталей по прочности и свариваемости. Правильный выбор марки с учётом её механических свойств и технологических требований позволяет добиться наилучших результатов в серийном производстве.
