По условиям выплавки в углеродистых сталях содержатся следующие примеси: углерод, кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, водород и азот. Эти примеси называются постоянными (или неизбежными). На свойства углеродистых сталей решающее влияние оказывает углерод. Например, с повышением содержания углерода твердость и прочность стали повышаются, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Некоторые марки полуспокойных сталей выплавляются с повышенным содержанием марганца.
В соответствии с ГОСТами выплавляются следующие основные виды углеродистых сталей: низкоуглеродистые (менее 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С); по назначению: на конструкционные обыкновенного качества и качественные (в том числе – цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные), инструментальные для режущего и измерительного инструмента, а также штампов холодного (менее 200 °С) и горячего прессования.
Сталь углеродистая обыкновенного качества конструкционная выплавляется по ГОСТ 380–85 и поставляется потребителю в виде прутков, листов и других профилей проката. В зависимости от назначения и гарантируемых металлургическим заводом характеристик сталь подразделяется на три группы: А, Б, В, которые, в свою очередь, делятся на категории.
Сталь группы А поставляется по механическим свойствам и изготовляется следующих марок: Ст0, Ст1 кп (сп), Ст2 кп (пс и сп), Ст3 кп (пс, гпс, гсп), Ст4 кп (пс), Ст5 пс, Ст6сп (пс).
Сталь группы Б поставляется по гарантированному химическому составу и изготовляется следующих марок: БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6.
Сталь группы В поставляется по гарантированным механическим свойствам и химическому составу и изготовляется следующих марок: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.
Знание химического состава необходимо в том случае, когда сталь у потребителя подвергается горячей штамповке, а изготовленные из неё детали – термической обработке, поскольку температура нагрева выбирается в зависимости от содержания углерода в стали.
По степени раскисления сталь всех групп с номерами 1, 2, 3, 4 изготовляется кипящей, спокойной и полуспокойной, а с номерами 5 и 6 - только спокойной и полуспокойной. Стали Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяются. Сталь марок ВСт1, ВСт2, ВСт3 всех степеней раскисления поставляется с гарантией свариваемости.
Расшифровка марок:
а) буквы Б и В перед буквами Ст – группа стали; группа А не указывается, например Ст3, БСт3, ВСт3;
б) буквы Ст – сталь, цифры, от 0 до 6 – условный номер марки; с повышением номера растет содержание углерода в стали и ее прочность. Например, в сталях Ст3 и Ст5 содержание углерода соответственно: 0,14–0,22 и 0,23–0,37 %; временное сопротивление σ В: 380–490 (38–49) и 560–640 (56–64) МПа (кгс/мм 2);
в) буквы, добавляемые после номера марки, – степень раскисления: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная, например Ст3кп;
г) буква Г – повышенное содержание марганца (Ст3Гпс, ВСт3Гсп);
Область применения:
– ж.–д. колеса, валы, шкивы, шестерни;
– детали грузоподъемных машин;
– слабонагруженные детали машин и приборов;
– сварные фермы, различные рамы; железобетонные конструкции.
Сталь качественная конструкционная выплавляется по ГОСТ 1050–88, поставляется по химическому составу и механическим свойствам следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Марка означает среднее содержание (массовую долю) углерода в сотых долях процента. Помимо указанных, поставляются стали марок 05 и 58 (55 пп – сталь пониженной прокаливаемости).
По раскисленности выплавляются стали: кипящие (кп) – 05 кп, 08 кп, 10 кп, 15 кп, 20 кп; полуспокойные (пс) – 08 пс, 10 пс, 15 пс, 20 пс (листовая сталь для холодной штамповки); спокойные (сп) – 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 (индекс сп в марке не ставится).
По состоянию сталь изготовляется без термической обработки, термически обработанная Т (отожженная, высокоотпущенная или нормализованная) и нагартованная Н (калиброванная, серебрянка).
По назначению различают подгруппы стали: а – для горячей обработки давлением; б – для холодной механической обработки (обточки, фрезерования, строжки и т.д.); в - для холодного волочения.
Область применения:
– для холодной штамповки и глубокой вытяжки (0,5–20);
– вагоно- и автомобилестроение;
– слабонагруженные зубчатые колеса и кулачки;
– емкости, трубы, консервные банки.
Рессоры и пружины изготовляются из сталей, выплавляемых по ГОСТ 14959–79 (сталь рессорно-пружинная углеродистая и легированная). Углеродистая рессорно-пружинная сталь поставляется в виде прутков круглого, квадратного и профильного сечения, полос и мотков следующих марок: 65, 70, 75, 80 и 85.
Сталь инструментальная углеродистая выплавляется по ГОСТ 1435–90, поставляется по химическому составу и механическим свойствам (твердости). По химическому составу сталь делится на качественную и высококачественную. Качественные стали содержат вредные примеси серы не более 0,03 и фосфора 0,035 %. В высококачественных сталях – серы не более 0,02 % и фосфора 0,03 %, меньше чем в качественных сталях неметаллических включений, а также более сужены пределы содержания, кремния и марганца. Сталь поставляется в отожженном состоянии твердостью НВ 187–217. Твердость после закалки HRC 62.
Марки сталей: качественных – У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественных – У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Выпускаются также стали с повышенным содержанием марганца марок У8Г и У8ГА, в которых содержание марганца находится в пределах 0,35–0,60 %.
В обозначении марки буква У означает углеродистую инструментальную сталь, цифры - среднее массовое содержание углерода в десятых долях процента, буква А – сталь высококачественную, буква Г – повышенное содержание марганца.
Область применения:
– зубила, молотки, отвертки, центры токарных станков (У7, У7А);
– пуансоны, матрицы, ножницы, пилы (У8, У8А);
– керны, деревообрабатывающий инструмент (У9, У9А);
– резцы, метчики, развертки, фрезы (У10, У10А);
– штампы вырубные, пилы, пресс-формы (У11, У11А);
– резцы, сверла, фрезы, метчики (У12, У13,У13А).
Сталь автоматная выплавляется по ГОСТ 1414–75 следующих марок: А11, А12, А20, А30, А35Е, А40Г. Стали содержат вредные добавки серы 0,08–0,25 и фосфора 0,06–0,15 %. Для улучшения обрабатываемости резанием в стали вводят свинец (до 0,3 %), марганец (до 1,5 %) и селен (до 0,1 %) (АС14, АС35Г и А35Е).
Область применения:
– детали крепежа (болты, гайки);
– втулки, валики, детали двигателя.
Сталь литейная выплавляется по ГОСТ 977–79 следующих марок: 15Л, 20Л, …, 55Л.
Область применения:
– отливки мелких и крупных машиностроительных деталей;
– литые коленчатые валы;
– детали подвижного состава.
2.1.2 Легированные стали, их виды и марки
Легированные стали отличаются от углеродистых сталей:
– повышенной жаростойкостью, сопротивлением коррозии;
– значительной ударной вязкостью;
– высокими значениями σ т и γ;
– большим электросопротивлением;
– обладают лучшей прокаливаемостью;
– увеличивают количество остаточного аустенита.
В диаграмме состояния Fe –легирующий элемент Ni и Mn – расширяют область существования γ-фазы; Мо, Тi – сужают область существования γ-фазы; Si, Al, W, Sn, Mo и Ti – расширяют область α-фазы. Основными легирующими элементами в стали являются Cr, Ni, Si, Mn. Никель – увеличивает пластичность и вязкость стали; уменьшает температуру порога хладноломкости ; уменьшает чувствительность стали к концентрации напряжения. Хром увеличивает жаростойкость и коррозионную стойкость стали; увеличивает электрическое сопротивление; уменьшает коэффициент линейного расширения; увеличивает прокаливаемость стали; замедляет распад мартенсита. Кремний увеличивает жаростойкость стали ; затрудняет формирование и рост цементитных частиц; используется как раскислитель при плавке стали.
W, Mo, V, Ti, B – дополнительно улучшают свойства стали. Mo и W – увеличивают прокаливаемость стали (+ Ni); способствуют измельчению зерна; подавляют отпускную хрупкость стали.
V, Ti, Ni, Zr – образуют труднорастворимые в аустените карбиды; (до 0,15 %) измельчают зерна; снижают порог хладноломкости.
В – повышает прочность и прокаливаемость стали (0,001–0,005 %).
Эффективность легированных элементов достигается при их оптимальном содержании в стали.
легированные стали классифицируют:
По типу равновесной структуры;
Структуре после нормализации;
Химическому составу;
Назначению.
Легированные стали относят: к доэвтектоидным (феррит + легированный перлит); заэвтектоидным (легированный перлит + карбиды); эвтектоидным.
Разделяют стали на 3 основных класса:
– перлитный (сорбит, тростит и бейнит);
– мартенситный (в легированных);
– аустенитный (в высоколегированных).
Легированные стали делятся:
– по химическому составу : на хромистые; марганцовистые; хромоникелевые; хромоникельмолибденовые и т.д.;
– по общему количеству легирующих элементов в них : на низколегированные (до 2,5 %); легированные (2,5–10 %); высоколегированные (свыше 10 %);
– по назначению : на конструкционные (цементуемые, улучшаемые); инструментальные; с особыми свойствами («автоматные» пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и др. стали).
Маркировка легированных сталей: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, Т – титан, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные, Ю – алюминий.
Машиностроительные цементируемые улучшаемые стали содержат 0,1–0,3 % углерода и 0,2– 4,4 % легирующих элементов. После насыщения углеродом, закалки и низкого отпуска детали из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (до 58–63 HRC ) при вязкой центральной части. Стали 15ХФ, 15Х, 20Х (с пределом текучести до 700 МПа) используют для изготовления небольших нагруженных деталей, испытывающих средние по величине знакопеременные и ударные нагрузки. Стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А (с пределом текучести более 700 МПа) используют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания, при повышенных нагрузках. Особо ответственные детали, например зубчатые колеса авиационных и судовых двигателей, изготавливают из сталей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА. Экономно легированные стали 18ХГТ, ЗОХГ, 25ХГТ имеют наследственную мелкозернистую структуру, что позволяет сократить технологический цикл обработки детали. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей крупносерийного и массового производства.
Машиностроительные улучшаемые легированные стали содержат 0,3–0,5 % углерода и до 5 % легирующих элементов. Используются преимущественно после улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500– 600 °С на сорбит). Основное применение – ответственные детали машин, эксплуатируемые при воздействии циклических или ударных нагрузок. Для изготовления средненагруженных небольших деталей машин и механизмов без значительных динамических нагрузок применяют хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х, 50Х. С увеличением содержания углерода возрастает прочность этих сталей, но несколько снижается их вязкость и пластичность. Из хромоникелевых сталей 40ХН, 50ХН, а также из хромокремнемарганцевых сталей 30ХГСА, 35ХГСА, которые обладают высокими прочностными и вязкостными свойствами, изготавливают ответственные детали, работающие при воздействии динамических нагрузок.
Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 38ХМЗМА обладают повышенными механическими свойствами при температуре до 450 °С.
Мартенситостареющие высокопрочные стали (с пределом прочности 1800–2000 МПа) – безуглеродные (не более 0,03 % С) сплавы железа с никелем, легированные кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Высокие механические свойства сталей HI8K9M5T, H12KI5M10 достигаются за счет совмещения мартенситного g ® a-превращения, старения мартенсита и легирования твердого раствора. Эти стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали теплоустойчивы до температур 500– 700 °С. Находят применение для ответственных деталей в авиации, судостроении.
Износостойкие конструкционные стали обладают высоким сопротивлением контактной усталости и истиранию за счет высокой твердости, однородности структуры, минимального содержания неметаллических включений и металлургических дефектов. Термическая обработка (закалка и низкий отпуск) стали ШХ15ГС обеспечивает их твердость HRC 60–66. Для деталей, работающих в агрессивных средах (морской воде, слабых растворах кислот, щелочах), применяют коррозионностойкую высокоуглеродную сталь 95X18. Детали, эксплуатируемые при воздействии ударных нагрузок, вызывающих их поверхностный наклеп, а следовательно, снижение износостойкости обычных сталей, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали Г13Л. Для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения скольжения, применяют графитизированную сталь, имеющую структуру ферритно-цементитной смеси и графита. Последний играет роль смазочного материала, предотвращающего схватывание контактирующих деталей.
Коррозионно-стойкие стали и сплавы устойчивы к коррозии на воздухе, в воде (в т.ч. морской), в ряде кислот, солей и щелочей. Из хромистых сталей Х25Т, Х28, имеющих ферритную структуру, изготавливают детали, эксплуатируемые в высокоагрессивных средах, например в кипящей азотной кислоте. Хромоникелевые стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х12Н10Т, имеющие аустенитную структуру, используют в авиа- и судостроении.
Жаропрочные стали и сплавы обеспечивают эксплуатацию деталей при температуре свыше 500 °С. Для деталей, эксплуатируемых в среде с температурой 500– 580 °С, используют низкоуглеродистые стали, имеющие структуру пластинчатого перлита, легированные кобальтом, молибденом, ванадием, в частности 16М, 25ХМ, 12Х1МФ. Нагруженные детали, эксплуатируемые в среде с температурой до 450-470 °С, изготавливают из высокохромистых сталей 15X11НМФ, 1ХКВНМФ, имеющих в зависимости от температуры отпуска структуру сорбита или троостита.
По способу выплавки стали делят на мартеновские, конвертерные, электростали и стали, полученные особыми методами выплавки.
По структуре стали делят на перлитные, аустенитные, ферритные и карбидные.
По назначению различают стали конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Из конструкционных сталей изготавливают колонны, фермы, мосты, детали машин и т.п., из инструментальных - различные инструменты: режущие (резцы, сверла, фрезы, зубила и др.), штамповые (штампы для холодной и горячей штамповки) и измерительные (штангенциркули, микрометры, линейки, калибры и др.). К сталям с особыми свойствами относятся жаропрочные, окалиностойкие, нержавеющие (коррозионностойкие) и стали с особыми физическими свойствами: магнитные (магнитотвердые и магнитомягкие), с высоким электрическим сопротивлением, с особыми тепловыми и упругими свойствами.
По качеству стали делят на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Качество стали определяется содержанием в ней вредных примесей (серы и фосфора), неметаллических включений и др. Например, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы не более 0,05 , фосфора 0,04 , качественных - соответственно 0,03 и 0,035 и высококачественных - 0,02 и 0,03 %.
По степени раскисления стали изготавливаются кипящими, спокойными и полуспокойными.
В соответствии с ГОСТами выплавляются следующие основные виды углеродистых сталей: низкоуглеродистые (менее 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С); по назначению: на конструкционные обыкновенного качества и качественные (в том числе - цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные), инструментальные для режущего и измерительного инструмента, а также штампов холодного (менее 200 °С) и горячего прессования.
Сталь углеродистая обыкновенного качества конструкционная выплавляется по ГОСТ 380-85 и поставляется потребителю в виде прутков, листов и других профилей проката. В зависимости от назначения и гарантируемых металлургическим заводом характеристик сталь подразделяется на три группы: А, Б, В, которые, в свою очередь, делятся на категории.
Сталь группы А поставляется по механическим свойствам и изготовляется следующих марок: Ст0, Ст1 кп (сп), Ст2 кп (пс и сп), Ст3 кп (пс, гпс, гсп), Ст4 кп (пс), Ст5 пс, Ст6сп (пс).
Сталь группы Б поставляется по гарантированному химическому составу и изготовляется следующих марок: БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6.
Сталь группы В поставляется по гарантированным механическим свойствам и химическому составу и изготовляется следующих марок: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.
Знание химического состава необходимо в том случае, когда сталь у потребителя подвергается горячей штамповке, а изготовленные из неё детали - термической обработке, поскольку температура нагрева выбирается в зависимости от содержания углерода в стали.
По степени раскисления сталь всех групп с номерами 1, 2, 3, 4 изготовляется кипящей, спокойной и полуспокойной, а с номерами 5 и 6 - только спокойной и полуспокойной. Стали Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяются. Сталь марок ВСт1, ВСт2, ВСт3 всех степеней раскисления поставляется с гарантией свариваемости.
Расшифровка марок:
а) буквы Б и В перед буквами Ст - группа стали; группа А не указывается, например Ст3, БСт3, ВСт3;
б) буквы Ст - сталь, цифры, от 0 до 6 - условный номер марки; с повышением номера растет содержание углерода в стали и ее прочность. Например, в сталях Ст3 и Ст5 содержание углерода соответственно: 0,14-0,22 и 0,23-0,37 %; временное сопротивление σ В: 380-490 (38-49) и 560-640 (56-64) МПа (кгс/мм 2);
в) буквы, добавляемые после номера марки, - степень раскисления: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная, например Ст3кп;
г) буква Г - повышенное содержание марганца (Ст3Гпс, ВСт3Гсп);
Сталь качественная конструкционная выплавляется по ГОСТ 1050-88, поставляется по химическому составу и механическим свойствам следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Марка означает среднее содержание (массовую долю) углерода в сотых долях процента. Помимо указанных, поставляются стали марок 05 и 58 (55 пп - сталь пониженной прокаливаемости).
По раскисленности выплавляются стали: кипящие (кп) - 05 кп, 08 кп, 10 кп, 15 кп, 20 кп; полуспокойные (пс) - 08 пс, 10 пс, 15 пс, 20 пс (листовая сталь для холодной штамповки); спокойные (сп) - 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 (индекс сп в марке не ставится).
По состоянию сталь изготовляется без термической обработки, термически обработанная Т (отожженная, высокоотпущенная или нормализованная) и нагартованная Н (калиброванная, серебрянка).
По назначению различают подгруппы стали: а - для горячей обработки давлением; б - для холодной механической обработки (обточки, фрезерования, строжки и т.д.); в - для холодного волочения.
Рессоры и пружины изготовляются из сталей, выплавляемых по ГОСТ 14959-79 (сталь рессорно-пружинная углеродистая и легированная). Углеродистая рессорно-пружинная сталь поставляется в виде прутков круглого, квадратного и профильного сечения, полос и мотков следующих марок: 65, 70, 75, 80 и 85.
Сталь инструментальная углеродистая выплавляется по ГОСТ 1435-90, поставляется по химическому составу и механическим свойствам (твердости). По химическому составу сталь делится на качественную и высококачественную. Качественные стали содержат вредные примеси серы не более 0,03 и фосфора 0,035 %. В высококачественных сталях - серы не более 0,02 % и фосфора 0,03 %, меньше чем в качественных сталях неметаллических включений, а также более сужены пределы содержания, кремния и марганца . Сталь поставляется в отожженном состоянии твердостью НВ 187-217. Твердость после закалки HRC 62.
Марки сталей: качественных - У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественных - У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Выпускаются также стали с повышенным содержанием марганца марок У8Г и У8ГА, в которых содержание марганца находится в пределах 0,35-0,60 %.
В обозначении марки буква У означает углеродистую инструментальную сталь, цифры - среднее массовое содержание углерода в десятых долях процента, буква А - сталь высококачественную, буква Г - повышенное содержание марганца.
Зубила, молотки, отвертки, центры токарных станков (У7, У7А);
Пуансоны, матрицы, ножницы, пилы (У8, У8А);
Керны, деревообрабатывающий инструмент (У9, У9А);
Резцы, метчики, развертки, фрезы (У10, У10А);
Штампы вырубные, пилы, пресс-формы (У11, У11А);
Резцы, сверла, фрезы, метчики (У12, У13,У13А).
Сталь автоматная выплавляется по ГОСТ 1414-75 следующих марок: А11, А12, А20, А30, А35Е, А40Г. Стали содержат вредные добавки серы 0,08-0,25 и фосфора 0,06-0,15 %. Для улучшения обрабатываемости резанием в стали вводят свинец (до 0,3 %), марганец (до 1,5 %) и селен (до 0,1 %) (АС14, АС35Г и А35Е).
Область применения:
Детали крепежа (болты, гайки);
Втулки, валики, детали двигателя.
Сталь литейная выплавляется по ГОСТ 977-79 следующих марок: 15Л, 20Л, …, 55Л.
Легированные стали, их виды и марки
Легированные стали отличаются от углеродистых сталей:
Повышенной жаростойкостью, сопротивлением коррозии;
Значительной ударной вязкостью;
Высокими значениями σ т и γ;
Большим электросопротивлением;
Обладают лучшей прокаливаемостью;
Увеличивают количество остаточного аустенита.
В диаграмме состояния Fe - легирующий элемент Ni и Mn - расширяют область существования γ-фазы; Мо, Тi - сужают область существования γ-фазы; Si, Al, W, Sn, Mo и Ti - расширяют область α-фазы. Основными легирующими элементами в стали являются Cr, Ni, Si, Mn. Никель - увеличивает пластичность и вязкость стали; уменьшает температуру порога хладноломкости ; уменьшает чувствительность стали к концентрации напряжения. Хром увеличивает жаростойкость и коррозионную стойкость стали; увеличивает электрическое сопротивление; уменьшает коэффициент линейного расширения; увеличивает прокаливаемость стали; замедляет распад мартенсита. Кремний увеличивает жаростойкость стали ; затрудняет формирование и рост цементитных частиц; используется как раскислитель при плавке стали.
W, Mo, V, Ti, B - дополнительно улучшают свойства стали. Mo и W - увеличивают прокаливаемость стали (+ Ni); способствуют измельчению зерна; подавляют отпускную хрупкость стали.
V, Ti, Ni, Zr - образуют труднорастворимые в аустените карбиды ; (до 0,15 %) измельчают зерна; снижают порог хладноломкости.
В - повышает прочность и прокаливаемость стали (0,001-0,005 %).
Эффективность легированных элементов достигается при их оптимальном содержании в стали.
Легированные стали классифицируют:
По типу равновесной структуры;
Структуре после нормализации;
Химическому составу;
Назначению.
Легированные стали относят: к доэвтектоидным (феррит + легированный перлит); заэвтектоидным (легированный перлит + карбиды); эвтектоидным.
Разделяют стали на 3 основных класса:
Перлитный (сорбит, тростит и бейнит);
Мартенситный (в легированных);
Аустенитный (в высоколегированных).
Легированные стали делятся:
По химическому составу : на хромистые; марганцовистые; хромоникелевые; хромоникельмолибденовые и т.д.;
По общему количеству легирующих элементов в них : на низколегированные (до 2,5 %); легированные (2,5-10 %); высоколегированные (свыше 10 %);
По назначению : на конструкционные (цементуемые, улучшаемые); инструментальные; с особыми свойствами («автоматные» пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и др. стали).
Маркировка легированных сталей: А - азот, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, Т - титан, К - кобальт, Н - никель, М - молибден, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Ф - ванадий, Х - хром, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные, Ю - алюминий.
Машиностроительные цементируемые улучшаемые стали содержат 0,1-0,3 % углерода и 0,2- 4,4 % легирующих элементов. После насыщения углеродом, закалки и низкого отпуска детали из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (до 58-63 HRC ) при вязкой центральной части. Стали 15ХФ, 15Х, 20Х (с пределом текучести до 700 МПа) используют для изготовления небольших нагруженных деталей, испытывающих средние по величине знакопеременные и ударные нагрузки.
Стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А (с пределом текучести более 700 МПа) используют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания, при повышенных нагрузках. Особо ответственные детали, например зубчатые колеса авиационных и судовых двигателей, изготавливают из сталей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА. Экономно легированные стали 18ХГТ, 30ХГ, 25ХГТ имеют наследственную мелкозернистую структуру, что позволяет сократить технологический цикл обработки детали. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей крупносерийного и массового производства.
Машиностроительные улучшаемые легированные стали содержат 0,3-0,5 % углерода и до 5 % легирующих элементов. Используются преимущественно после улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500- 600 °С на сорбит). Основное применение - ответственные детали машин, эксплуатируемые при воздействии циклических или ударных нагрузок. Для изготовления средненагруженных небольших деталей машин и механизмов без значительных динамических нагрузок применяют хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х, 50Х.
С увеличением содержа-ния углерода возрастает прочность этих сталей, но несколько снижается их вязкость и пластичность. Из хромоникелевых сталей 40ХН, 50ХН, а также из хромокремнемарганцевых сталей 30ХГСА, 35ХГСА, которые обладают высокими прочностными и вязкостными свойствами, изготавливают ответственные детали, работающие при воздействии динамических нагрузок.
Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 38ХМЗМА обладают повышенными механическими свойствами при температуре до 450 °С.
Мартенситостареющие высокопрочные стали (с пределом прочности 1800-2000 МПа) - безуглеродные (не более 0,03 % С) сплавы железа с никелем, легированные кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Высокие механические свойства сталей HI8K9M5T, H12KI5M10 достигаются за счет совмещения мартенситного g ® a-превращения, старения мартенсита и легирования твердого раствора. Эти стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали теплоустойчивы до температур 500- 700 °С. Находят применение для ответственных деталей в авиации, судостроении.
Износостойкие конструкционные стали обладают высоким сопротивлением контактной усталости и истиранию за счет высокой твердости, однородности структуры, минимального содержания неметаллических включений и металлургических дефектов. Термическая обработка (закалка и низкий отпуск) стали ШХ15ГС обеспечивает их твердость HRC 60-66. Для деталей, работающих в агрессивных средах (морской воде, слабых растворах кислот, щелочах), применяют коррозионностойкую высокоуглеродную сталь 95X18.
Детали, эксплуатируемые при воздействии ударных нагрузок, вызывающих их поверхностный наклеп, а следовательно, снижение износостойкости обычных сталей, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали Г13Л. Для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения скольжения, применяют графитизированную сталь, имеющую структуру ферритно-цементитной смеси и графита. Последний играет роль смазочного материала, предотвращающего схватывание контактирующих деталей.
Коррозионно-стойкие стали и сплавы устойчивы к коррозии на воздухе, в воде (в т.ч. морской), в ряде кислот, солей и щелочей. Из хромистых сталей Х25Т, Х28, имеющих ферритную структуру, изготавливают детали, эксплуатируемые в высокоагрессивных средах, например в кипящей азотной кислоте. Хромоникелевые стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х12Н10Т, имеющие аустенитную структуру, используют в авиа- и судостроении.
Жаропрочные стали и сплавы обеспечивают эксплуатацию деталей при температуре свыше 500 °С. Для деталей, эксплуатируемых в среде с температурой 500- 580 °С, используют низкоуглеродистые стали, имеющие структуру пластинчатого перлита, легированные кобальтом, молибденом, ванадием, в частности 16М, 25ХМ, 12Х1МФ. Нагруженные детали, эксплуатируемые в среде с температурой до 450-470 °С, изготавливают из высокохромистых сталей 15X11НМФ, 1ХКВНМФ, имеющих в зависимости от температуры отпуска структуру сорбита или троостита.
Сталь является наиболее распространенным материалом в машиностроении. Создание новых более совершенных машин стимулирует создание марок сталей со свойствами, отвечающими современным требованиям в машиностроении. При этом ранее созданные марки сталей, с учетом новых технологий их производства, продолжают быть востребованы конструкторами при создании новых и совершенствовании действующих машин. Принято выделять следующие группы сталей:
- углеродистые стали, которые в общем объеме составляют примерно 80%,
- легированные стали конструкционные и инструментальные,
- стали с особыми свойствами специального назначения и др.
1. Стали углеродистые обыкновенного качества
Относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых. Из них получают до 70% всего проката – горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового. Из этих сталей изготовляют трубы, поковки, штамповки, ленту, проволоку, металлические изделия (метизы): гвозди, канаты, сетки, болты, гайки, заклепки, а также мало- и средненагруженные детали; штифты, шайбы, шпонки, крышки, кожухи, а из стали номеров 4-6 – валы, винты, зубчатые колеса и шпиндели. Стали обыкновенного качества хорошо свариваются.
В зависимости от назначения углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют (ГОСТ 380- 94) на три группы:
- А – поставляемые по механическим свойствам,
- Б – поставляемые по химическому составу,
- В – поставляемые по механическим свойствам и химическому составу.
В зависимости от нормируемых показателей (прочностная характеристика, химический состав) сталь каждой группы подразделяют на категории:
- группа А – 1, 2 и 3-я;
- группа Б – 1, 2,-я;
- группа В – 1, 2, 3, 4, 5, 6-я.
Буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6 – условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности σ в и предел текучести σ т и уменьшается относительное удлинение δ. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная (например: СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп; табл. 1 и 2).
Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества группы А и примерное назначение углеродистой стали обыкновенного качества приведены в табл. 1.
Таблица 1. Стали углеродистые, их механические свойства и назначение
| Марка стали | Свойства | Примерное назначение | ||
| σ в, МПа | σ т, МПа | δ, % | ||
| Ст0 | Не менее | – | 23 | Неответственные строительные конструкции, прокладки, шайбы, кожухи. Свариваемость хорошая |
| Ст1кп Ст1пс, Ст1сп | 300-390 | – | 35 | Малонагруженные детали металлоконструкций – заклепки, шайбы, шплинты, прокладки, кожухи. Свариваемость хорошая |
| Ст2кп Ст2пс, Ст2сп | 320-410 | 215 | 33 | Детали металлоконструкций – рамы, оси, ключи, валики, цементируемые детали. Свариваемость хорошая |
| СтЗкп СтЗпс, СтЗсп СтЗГпс | 360-460 | 235 | 27 | Рамы тележки, цементируемые и цианируемые детали, от которых требуется высокая твердость поверхности и невысокая прочность сердцевины, крюки кранов, кольца, цилиндры, шатуны, крышки |
| Ст4кп Ст4пс, Ст4сп | 400-510 | 255 | 25 | Валы, оси, тяги, пальцы, крюки, болты, гайки, детали при невысоких требованиях к прочности |
| Ст5пс, Ст5сп | 490-630 | 285 | 20 | Валы, оси, звездочки, крепежные детали, зубчатые колеса, шатуны, детали при повышенных требованиях к прочности |
| Ст6пс | Не менее | 315 | 15 | Валы, оси, бойки молотов, шпиндели, муфты кулачковые и фрикционные, цепи, детали с высокой прочностью |
Для возможности распознания марок стали при складировании, прокат маркируют несмываемой краской. Для этого, независимо от группы и степени раскисления стали, используют краску цветов, указанных в табл. 2.
Таблица 2. Цвет маркировки стали углеродистой обыкновенного качества
| Марка стали | Цвет маркировки | Марка стали | Цвет маркировки |
| Ст0 | Красный и зеленый | СтЗГпс | Красный и синий |
| Ст1 | Белый и черный | Ст4 | Черный |
| Ст1Гпс | Белый и красный | Ст4Гпс | Черный и красный |
| Ст2 | Желтый | Ст5 | Зеленый |
| Ст2Гпс | Желтый и красный | Ст6Гпс | Зеленый и белый |
| Ст3 | Красный | Ст6 | Синий |
2. Стали углеродистые качественные конструкционные
Являются основным металлом для изготовления деталей машин (валов, шпинделей, осей, зубчатых колес, шпонок, муфт, фланцев, фрикционных дисков, винтов, гайек, упоров, тяг, цилиндров гидроприводов, эксцентриков, звездочек цепных передач и др.), которые при взаимодействии в работающей машине воспринимают и передают различные по величине нагрузки. Эти металлы хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке.
Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.
Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной
| Марка | Механические свойства | Физические свойства | Технологические свойства | ||||||||||
| σ т | σ в | δ, % | а н Дж/см 2 | НВ | γ, г/см 3 | λ, Вт/(м ·°С) | α·10 6 ,1/°С | обрабаты- ваемость резанием | сварива- | интервал температур | пластичность холодной обработке | *горяче- | |
| МПа | |||||||||||||
| 08 | 196 | 324 | 33 | – | 126 | 7,83 | 811 | 11,6 | В | ВВ | 800-1300 | ВВ | * |
| 10 | 206 | 321 | 31 | – | 140 | 7,83 | 811 | 11,6 | В | ВВ | 800-1300 | ВВ | * |
| 15 | 225 | 373 | 27 | – | 145 | 7,82 | 770 | 11,9 | В | ВВ | 800-1250 | ВВ | * |
| 20 | 245 | 412 | 25 | – | 159 | 7,82 | 770 | 11,1 | В | ВВ | 800-1280 | В | * |
| 25 | 274 | 451 | 23 | 88 | 166 | 7,82 | 732 | 11,1 | В | ВВ | 800-1280 | В | * |
| 30 | 294 | 490 | 21 | 78 | 175 | 7,817 | 732 | 12,6 | В | В | 800-1250 | В | * |
| 35 | 314 | 529 | 20 | 69 | 203 | 7,817 | 732 | 11,09 | В | В | 800-1250 | В | * |
| 40 | 321 | 568 | 19 | 59 | 183 | 7,815 | 596 | 12,4 | В | У | 800-1250 | У | ** |
| 45 | 363 | 598 | 16 | 49 | 193 | 7,814 | 680 | 11,649 | В | У | 800-1250 | У | ** |
| 50 | 373 | 627 | 14 | 38 | 203 | 7,811 | 680 | 12,0 | У | У | 800-1250 | У | ** |
| 55 | 382 | 647 | 13 | – | 212 | 7,82 | 680 | 11,0 | У | Н | 800-1250 | Н | ** |
| 60 | 402 | 676 | 12 | – | 224 | 7,80 | 680 | 11,1 | У | Н | 800-1240 | Н | ** |
| Примечание. Н – низкая, У – удовлетворительная, В – высокая, ВВ – весьма высокая. | |||||||||||||
Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).
Обозначение марки стали составляют из слова «Сталь» и двузначной цифры, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода – 0,220,30 %), Сталь 60-0,60 % (допустимое количество -0,57-0,65%). Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора – не более 0,035%.
Основные свойства углеродистой качественной конструкционной стали приведены в табл. 3, основное назначение – в табл. 4. Цвета маркировки приведены в табл. 5.
Таблица 4. Стали углеродистые качественные конструкционные, их основное назначение
| Марка стали | Основное назначение |
| Сталь 08кп, 10 | Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж, колпачки. Цементируемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины (втулки, валики, упоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски) |
| Сталь 15, 20 | Малонагруженные детали (валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни). Тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, крюки, траверсы, вкладыши, болты, стяжки и др. |
| Сталь 30, 35 | Детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звездочки, тяги, траверсы, рычаги, диски, валы) |
| Сталь 40, 45 | Детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки, прокатные валики и др.) |
| Сталь 50, 55 | Зубчатые колеса, прокатные валики, штоки, бандажи, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры и др. Применяют после закалки с высоким отпуском и в нормализованном состоянии |
| Сталь 60 | Детали с высокими прочностными и упругими свойствами (прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов). Применяют после закалки или после нормализации (крупные детали) |
Таблица 5. Цвета маркировки стали углеродистой качественной
3. Стали углеродистые инструментальные
Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.
Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.
Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99):
- качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
- высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А.
В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных – 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:
- 1-я – качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патенти- рованной проволоки и ленты);
- 2-я – высококачественные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы;
- 3-я – стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников;
- 4-я – стали всех марок для производства патентированной проволоки и ленты;
- 5-я – стали марок У7÷У13 для изготовления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали этих марок для производства горячекатаной и кованой сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки).
Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью (63÷64 HRC 3), значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).
Измерительный инструмент, изготовленный из такой стали, должен быть прочным (а в = 590÷640 МПа), длительное время сохранять заданные размеры и форму. Рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой стали, должны иметь высокую твердость, обладать износостойкостью при достаточной вязкости. Все это достигается путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. В табл. 6 приведены свойства углеродистой инструментальной стали, в табл. 7 – примерное назначение инструментальной углеродистой стали.
Таблица 6. Свойства стали углеродистой инструментальной (ГОСТ 1435 - 74)
| Марка стали | Механические свойства | ||||
| σ т | σ в | δ, % | Дж/см 3 | HRС | |
| У7А | 630 | 21 | – | 63 | |
| У8А | – | 590 | – | – | 63 |
| У10А | – | 590 | 23 | – | 63 |
| УНА | – | – | – | – | 63 |
| У12А | – | 640 | 28 | – | 64 |
| У13А | – | – | – | – | 64 |
Таблица 7. Примерное назначение стали углеродистой инструментальной
| Марка стали | Назаначение |
| У9 | Деревообрабатывающий режущий инструмент (сверла, фрезы, ножи) и ножовочные полотна для обработки стали |
| У10, У11 и У12 | Металлорежущий инструмент (фасонные резцы, сверла, метчики, плашки, развертки, фрезы, напильники и ходовые винты прецизионных станков) |
| У13 | Бритвенные ножи, лезвийный хирургический инструмент и напильники |
| У7 и У8 | Слесарные молотки, зубила, губки тисков, шаблоны, скобы |
| У8, У9 и У10 | Детали микрометрического инструмента, гладкие и резьбовые калибры, цанги, фрикционные диски, пружины и др. |
Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зернистый цементит, который способствует лучшей обрабатываемости резанием и уменьшает коробление деталей при закалке.
Углеродистые стали содержат в своем составе углерод до 2,14%, марганец (до 0,8%), кремний (до 0,35%), серу (до 0,06%) и фосфор (до 0,07%). Перечисленные элементы всегда присутствуют в стали, и поэтому их классифицируют как постоянные примеси . Марганец и кремний вводят в стали с целью раскисления, присутствие серы и фосфора объясняется трудностью удаления их при выплавке.
Кремний растворяется в феррите и сильно упрочняет его, снижая при этом пластичность и значительно повышая предел текучести. При этом уменьшается способность стали к вытяжке и холодной высадке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть сниженным.
Марганец повышает прочность феррита и уменьшает красноломкость стали, которую вызывает сера. С железом сера образует сульфид FeS, который практически не растворяется в железе и образует с ним эвтектику (Fe + FeS), плавящуюся при температуре 988°С. При кристаллизации эта эвтектика размещается вокруг зерен в виде оторочек. Во время горячей обработки при нагреве выше 1000°С эвтектика плавится, что приводит к нарушению связи между зернами и в металле при деформации возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкостью стали. При наличии марганца в стали вместо сульфида железа образуется сульфид марганца MnS с температурой плавления 1620°С, благодаря чему устраняется явление красноломкости.
Соединения серы снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, резко снижают работу развития вязкой трещины и вязкость разрушения К 1С . Сульфиды ухудшают свариваемость и коррозийную стойкость.
Фосфор в малых количествах растворяется в железе, образуя твердый раствор. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность и вязкость и резко повышает порог хладноломкости стали. Каждая 0,01% фосфора повышает переходную температуру хладноломкости на 20...25 о С. При повышенном содержании фосфор с железом образует фосфиды Fe 3 Р и Fe 2 P, которые в составе эвтектики размещаются по границам зерен и снижают прочность стали.
Существуют в сталях так называемые скрытые примеси, к которым относят кислород 0,002...0,008%), азот (0,002...0,007%), водород (0,0001...0,0007%). Эти примеси могут находиться в стали в виде хрупких неметаллических включений (FeO, Al 2 O 3 , Fe 4 N) или твердого раствора, а также быть в свободном виде в дефектных участках металла (трещинах, раковинах и др.). При плавлении они растворяются в стали, а затем выделяются при охлаждении, главным образом, по границам зерен, что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Кроме того, неметаллические включения есть концентраторами напряжений. Наличие водорода становится причиной возникновения в легированных сталях флокенов (микронесплошностей металла диаметром до 10…15 мм в центральной части поковки).
Неметаллические включения являются хрупкими и во время прокатки разбиваются, располагаясь в стали в виде цепочек. При этом образуются микроскопические концентраторы напряжений, что снижает характеристики усталости и ударную вязкость.
Некоторые примеси попадают в сталь при выплавке из скрапа и называются случайными . К таким примесям относятся хром, никель, медь при наличии до 0,3%. Влияние их в таком количестве на свойства сталей незначительно.
Наибольшее влияние на свойства стали имеет углерод. На рисунке 6 приведены кривые зависимости прочности и пластичности стали от содержания в ней углерода. Видно, что углерод очень резко повышает свойства прочности при одновременном снижении пластичности и вязкости. Это объясняется тем, что цементитные включения тормозят передвижение дислокаций в феррите и, естественно, при увеличении количества повышается их влияние.
При увеличении количества углерода переходная температура хладноломкости стали резко повышается. Каждая 0,1% С повышает на 20 о С температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению.
Углерод влияет также и на другие физические свойства стали, в частности, с повышением количества углерода увеличивается электросопротивление и коэрцитивная сила, а магнитная проницаемость уменьшается.
Углеродистые стали подразделяются по способу производства в зависимости от используемых плавильных агрегатов на конверторную, мартеновскую и электросталь. При этом по способу раскисления сталь может быть кипящей (раскислена только марганцем), полуспокойной (раскислена марганцем и кремнием) и спокойной (раскислена марганцем, кремнием и алюминием).
Рисунок 6 - Зависимость механических свойств стали (а) и
фазового состава (б) от содержания углерода
1.4.2.1 Классификация и маркировка углеродистых сталей
По структуре в равновесном состоянии различают доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,025 до 0,8%, их структура состоит из феррита и перлита. Содержание углерода в эвтектоидной стали составляет 0,8% С при полностью перлитной структуре. В заэвтектоидных сталях наряду с перлитной составляющей образуются цементитные включения, а содержание углерода может изменяться от 0,8 до 2,14%.
Наиболее распространена классификация углеродистых сталей по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, В соответствии с этим признаком стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.
Углеродистые стали обыкновенного качества (табл. 1) маркируются буквами Ст , что означает сталь. После Ст следует условный номер марки от 0 до 6, который отображает химический состав стали. Степень раскисления стали указывается буквами кп, пс, сп , которые означают, соответственно, кипящую (раскисленную марганцем), полуспокойную (раскисленную марганцем и кремнием), спокойную (раскисленную марганцем, кремнием и алюминием). Массовая доля серы в сталях всех марок £ 0,050%, фосфора – £ 0,040%, в Ст0 серы – £0,060%, фосфора – £ 0,070%.
Достаточно часто встречается еще маркировка прошлых лет, в соответствии с которой все стали обыкновенного качества подразделяются на три группы.
Группа А – маркируются Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.
Группа Б – маркируются буквами М, К, Б (что указывает на способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский), а затем Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6.
Группа В – маркируются ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.
Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Они не поддаются горячей обработке. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность стали.
Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом и у потребителя могут подвергаться горячей обработке (например, ковке и термической обработке).
Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (применяются для сварных конструкций).
Таблица 1 - Химический состав углеродистых сталей обыкновенного
качества
Стали всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливают кипящими, полуспокойными, спокойными, а стали с номерами 5 и 6 – полуспокойными и спокойными.
Углеродистые качественные стали отличаются от сталей обыкновенного качества меньшим содержанием серы (не более 0,04%) и фосфора (не более 0,035%), а также меньшим количеством неметаллических включений. Химический состав этих сталей ограничивается более узким диапазоном. Качественные углеродистые стали маркируются словом сталь и последующим двузначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, например, 08, 10, 15 и т.д. (табл. 2).
Таблица 2 - Состав и механические свойства качественных углеродистых сталей
| Марка стали | С, % | Mn,% | Si, % | Cr, % | s 0,2 , МПа | s в, МПа | δ,% | y, % | KCU, Дж/см 2 |
| 0,05-0,12 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,10 | - | |||||
| 0,07-0,14 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,15 | - | |||||
| 0,12-0,19 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,17-0,24 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,22-0,30 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,27-0,35 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,5 | ||||||
| 0,32-0,40 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,37-0,45 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,42-0,50 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,47-0,55 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,52-0,60 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,57-0,65 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | - |
При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисления буквами кп, пс . В случае спокойной стали степень раскисления не указывается. К качественным углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7 - 1,0%). Такие стали имеют в конце марки букву Г .
Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с более низким содержанием серы (до 0,025%) и фосфора (до 0,025%). При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А.
Качественные углеродистые стали подразделяются на низко-, средне- и высокоуглеродистые в зависимости от содержания углерода. К низкоуглеродистым сталям высокой пластичности и малой прочности относятся стали 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г..., 25Г, которые используются для изготовления малонагруженных деталей (кулачковых валов, осей, втулок). Термическая обработка (закалка с отпуском, цементация) значительно повышает прочность и вязкость изделий из этих материалов, что позволяет создавать более легкие конструкции и экономить металл. Среднеуглеродистые стали (с содержанием углерода 0,3...0,55%) в зависимости от требуемых механических свойств используются после нормализации, закалки с высокотемпературным отпуском, закалки ТВЧ и низкотемпературного отпуска. Из этих сталей изготовляют валы, шестерни, шатуны, шпиндели и т.д.
Высокоуглеродистые стали содержат углерода от 0,6 до 0,85% и характеризуются высокими прочностными и упругими свойствами, повышенной износостойкостью. После закалки и отпуска или закалки с нагревом ТВЧ детали из этих сталей могут работать в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают канатную проволоку, а также пружинную проволоку после патентования.
Углеродистые стали, которые содержат 0,7...1,3%С, используются для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7...У13 , где У обозначает углеродистую сталь, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента.
К положительным качествам углеродистых сталей относится их достаточно высокий комплекс механических свойств, который обеспечивается проведением термической обработки. Углеродистые стали имеют хорошие технологические свойства. Они недефицитны и дешевы.
Основным недостатком углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость (до 15 мм).
Чугуны
1.4.3.1 Общие сведения
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, количество которого превышает 2,14%. Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь, однако не менее чем 20% выплавляемого чугуна используют для изготовления литых деталей.
Чугуны отличаются высокими литейными свойствами и являются одними из основных современных литейных материалов. Около 75% всех отливок изготавливают из чугуна. Более низкая по сравнению со сталями температура плавления и завершение кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают более высокие литейные характеристики: жидкотекучесть и заполняемость формы, усадку и меньшую склонность к образованию усадочных трещин.
Из-за низкой пластичности чугуны не подвергаются обработке давлением.
В зависимости от химического состава и условий кристаллизации углерод в чугунах может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В соответствии с этим различают белые чугуны (углерод находится в виде цементита) и серые (углерод находится в виде графитных включений).
В белых чугунах фазовые превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe 3 C. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические (2,14…4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3…6,67%С).
В доэвтектических чугунах структурными составляющими при комнатной температуре являются перлит, ледебурит и цементит; в эвтектических – ледебурит; в заэвтектических – ледебурит и цементит.
Белые чугуны имеют высокую твердость (450…550НВ и выше), обусловленную наличием в них большого количества цементита. Одновременно с высокой твердостью для белых чугунов характерна высокая хрупкость, что исключает их использование для изготовления деталей машин. Находят применение отливки из белых чугунов, которые служат для получения деталей из ковкого чугуна путем проведения графитизирующего отжига. Также находят применение отливки с поверхностным слоем (12…30 мм) из белого чугуна и сердцевиной из серого чугуна. Наличие «отбеленного» поверхностного слоя обеспечивает высокую изностойкость такой отливки.
Промышленное значение имеют серые чугуны, в которых углерод находится в виде графитных включений, и поэтому важное значение приобретают условия их образования, т. е. процесс графитизации.
Графит содержит 100% углерода, а концентрация углерода в цементите составляет всего 6,67%. Кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются, в то время, как кристаллические структуры аустенита и цементита более подобны по своему строению. Поэтому образование цементита из жидкой фазы и из аустенита должно протекать легче, чем графита, поскольку работа образования зародыша и необходимые для этого диффузионные процессы не столь значительны.
Однако смесь феррит + графит или аустенит + графит обладает меньшой свободной энергией, чем смесь феррит + цементит или аустенит + цементит , следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.
В силу перечисленных обстоятельств при быстром охлаждении и затруднении диффузионных процессов происходит образование цементита, а при медленном охлаждении определяющим является стремление к минимизации свободной энергии, что приводит к образованию графита.
Серые чугуны различаются по форме графитных включений. Графит, который образуется в чугунах в процессе кристаллизации и последующего охлаждения имеет пластинчатую форму, а чугуны с таким графитом называются собственно серыми .
Образование графита вследствие распада цементита имеет место не только при кристаллизации и охлаждении, но и при нагреве белого чугуна до высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образуются графитные включения хлопьевидной формы. Чугун с таким графитом называют ковким чугуном.
Чугун с шаровидной формой графита, которую получают вследствие модификации магнием и церием, называют высокопрочным чугуном.
Чугуны, так же как и стали, являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят Fe, C, Si, Mn, P и S.
Углерод оказывает определяющее значение на качество чугунов, изменяя литейные свойства и количество графитных включений. Чем выше его концентрация, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, поэтому содержание углерода в промышленных чугунах не превышает 3,8%. Нижний предел содержания углерода составляет 2,4% и лимитируется необходимостью обеспечения достаточных литейных свойств.
Кремний обладает сильным графитизирующим действием, он способствует выделению графита в процессе затвердевания и разложению уже образовавшегося цементита. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3 до 5%.
Марганец затрудняет протекание процессов графитизации и незначительно улучшает механические свойства чугунов. Количество марганца в чугунах может изменяться в пределах 0,5…1%.
Сера по своей отбеливающей способности в 5 - 6 раз превосходит марганец. Кроме этого, сера снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Поэтому сера является вредной примесью и её содержание в чугунах не превышает 0,15%.
Фосфор практически не влияет на графитизацию. Его предельная растворимость в феррите составляет 0,3%. При большем содержании фосфор образует с железом и углеродом тройную фосфидную эвтектику с температурой плавления 950 о С, что увеличивает жидкотекучесть чугунов. Однако эта эвтектика имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому повышенное содержание фосфора в отливках до 0,7% допускается лишь при необходимости обеспечения высокой изностойкости. Для художественного литья используются чугуны с содержанием фосфора до 1%.
Из легирующих элементов степень графитизации увеличивают никель и медь, а хром затрудняет процесс образования графита.
Графитные включения влияют на механические свойства отливок, поскольку могут рассматриваться как пустоты соответствующей формы, возле которых концентрируются напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем острее дефект, поэтому в наибольшей мере разупрочняется металл при наличии графитных включений пластинчатой формы, менее опасной является хлопьевидная форма графита, а наиболее приемлемой – шаровидная форма графита. Наибольшее влияние графитные включения оказывают на сопротивление материалов разрушению при жестких способах нагрузки (ударных и растягивающих) и практически не влияют при действии сжимающих нагрузок. Наименьшую пластичность имеют чугуны с пластинчатым графитом (δ = 0,2...0,5%), промежуточную (δ = 5...10%) – с хлопьевидным графитом и наибольшую – с шаровидным графитом (δ £ 15%).
По структуре металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.
Металлическая основа в чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает серый ферритный чугун.
Как конструкционный материал чугуны обладают следующими положительными свойствами. Наличие графита улучшает обработку резанием, поскольку стружка ломается на графитных включениях. По сравнению со сталью чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства, в силу того, что графитные включения сами являются смазкой. Чугун прекрасно гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость благодаря микропустотам, которые заполнены графитом. Детали из чугуна не столь чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям и т. п.) по сравнению со стальными деталями. Чугуны дешевле сталей из-за более простой технологии производства.
Чтобы определить состав, свойства и характеристики углеродистых сталей, необходимо разбираться в их маркировке. Разберем все на конкретных примерах, чтобы справиться с поставленной задачей смог даже неопытный работник.
1
В этой статье речь пойдет о сплаве железа и углерода (С). Конечно, не обходится и без других примесей, но углеродистая сталь содержит до 2% С, а процентное содержание иных добавок незначительно. Такой материал нашел свое широкое применение во многих промышленных цехах. Из него изготавливают инструменты, оборудование, детали котлов, различные элементы. Этот дешевый сплав пользуется невероятной популярностью в строительной индустрии, особенно при изготовлении несущих конструкций. Среднеуглеродистые сплавы часто используются в машиностроении.
Огромный спрос обоснован не только приемлемой стоимостью материала, но и его свойствами. Он достаточно пластичен, легко подвергается обработке и превосходно сваривается. Также углеродистые сплавы не боятся динамических нагрузок. Но во многом характеристики металла зависят от его химического состава. С увеличением процентного содержания С изменяется структура сплава и его свойства. С возрастанием количества углерода до 1% увеличивается предел прочности и твердость, зато такое изменение негативно сказывается на пластичности и пределе текучести.
Углеродистый сплав
Дальнейшее увеличение С только ухудшит прочностные характеристики, именно поэтому в высокоуглеродистых сталях содержание этого элемента обычно не превышает 1,3%.
Ради справедливости стоит отметить и недостатки, которыми обладают такие марки сталей. К ним относятся низкие электротехнические свойства, недостаточная коррозионная устойчивость, которая еще более ухудшается с повышением температуры. Поэтому изделия следует покрывать защитным слоем. Также при нагреве снижаются прочностные характеристики сплавов, а перегрев приводит к короблению и образованию трещин. Негативно сказывается и высокий коэффициент теплового расширения.
Скажем еще пару слов о примесях, их влияние может принести как пользу, так и вред. К первым относятся марганец и кремний, которые способствуют раскислению. А такие добавки как сера и фосфор отрицательно скажутся на характеристиках. Первая способствует красноломкости, т. е. материал плохо поддается обработке в нагретом состоянии. А вот фосфор вызывает хладноломкость – металл боится холодной обработки.
2
Если углеродистая сталь содержит менее 0,8% С, то она будет иметь доэвтектоидную структуру. При увеличении этого элемента до 0,8% и более, структура материала изменяется на эвтектоидную и заэвтектоидную соответственно. В первом случае структура ферритно-перлитная, в эвтектоидных уже преобладает перлит, а при дальнейшем увеличении С в составе материала появляется вторичный цементит.
Также сплавы делятся согласно степени раскисления на спокойные, кипящие и полуспокойные. Если металл был полностью раскислен в печи и, соответственно, не содержит закиси железа, то такой сплав называется спокойным. К его достоинствам следует отнести отсутствие газов, а главный недостаток – относительно дорогая выплавка. В основном такой материал пользуется спросом для изготовления ответственных конструкций. Более дешевое производство у кипящей углеродистой стали, но в этом случае она будет содержать растворенные газы. Они негативно скажутся на свариваемости материала. Например, азот может спровоцировать появление трещин при проведении сварочных работ. Кипящие сплавы содержат некоторое количество закиси железа, вызванное неполным раскислением в печи.
Существуют еще полуспокойные марки сталей. Они выступают по степени раскисления чем-то средним между кипящими и спокойными. Металл затвердевает в изложнице без кипения, однако процесс сопровождается выделением газов. Но стоит отметить, что количество газовых пузырей значительно меньше, чем в случае с кипящими сталями, а в процессе прокатки они завариваются полностью. Этот сплав чаще всего используется как .
Марки углеродистой стали
Делятся сплавы также в зависимости от способа создания и имеющихся на выходе качеств. Углеродистая сталь обыкновенного качества в основном выплавляется в мартеновских печах, а затем разливается в большие слитки. Такой металл имеет довольно большое содержание неметаллических включений. В прокатанном виде наблюдается полосатость вдоль направления течения.
Качественный сплав также производится с помощью мартеновских печей, но в этом случае к технологии предъявляются более строгие требования, за счет чего количество неметаллических включений значительно снижается. Высококачественные сплавы изготавливаются в электропечах. Такая технология гарантирует повышенную чистоту материала, а значит, и превосходные механические свойства.
Знакомое даже непрофессионалу разделение – по назначению, сплавы делятся на инструментальные и конструкционные. Первые используются для изготовления различных инструментов. Содержание углерода в них колеблется в пределах от 0,65 до 1, 32%. Конструкционные марки нашли свое применение при изготовлении различных деталей и узлов. Например, для производства элементов, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающие динамические нагрузки, лучше всего зарекомендовали себя цементуемые марки сталей. Они делятся на 3 группы: сплавы с неупрочняемой, слабоупрочняемой и сильноупрочняемой сердцевиной. Все цементуемые сплавы подвергаются цементации.
По химическому составу такие сплавы делятся на мало-, средне- и . Содержание С в последнем случае превышает 0,7%, а в первом менее 0,3%. Если в составе присутствует С в пределах от 0,3 до 0,7%, то это среднеуглеродистые стали.
3
Если вам предстоит работать с таким материалом, то важно не тушеваться при виде маркировки. Сплавы обыкновенного качества обозначаются сочетанием букв Ст с цифрами от 0 до 6 и делятся на 3 категории. Если материал поставляется с гарантией механических свойств, при этом его химический состав не оговаривается, то он относится к группе А. Причем в этом случае категория в маркировке никак не обозначается. А определить свойства сплава можно по его номеру, чем он выше, тем больше прочность.
А вот сплав с гарантированным составом, но не регламентируемыми свойствами будет обозначаться буквой "Б". Символ находится в самом начале шифра. У этих сталей в соответствии с номером изменяется содержание С. Если же на первой позиции увидите "В", то речь идет о сплавах, в которых регламентируется и состав, и механические свойства. Первый соответствует сталям группы Б с аналогичным номером, а механические свойства – сплавам категории А. Более подробно ознакомиться с характеристиками можно, изучив сопроводительные документы.
Маркировка углеродистых сталей
В конце маркировки указывается степень раскисления. Полуспокойные и кипящие обозначаются сочетанием букв "пс" и "кп", соответственно. Если в конце шифра нет никаких символов, значит, сплав относится к спокойному типу. Сейчас попробуем разобрать все на конкретных примерах. Ст5 – углеродистая сталь с номером 5, относится к группе А, спокойная. Шифр БСт2кп означает, что сплав с номером 2 относится к категории Б, кипящий.
Качественные углеродистые сплавы маркируют цифрами, показывающими среднее содержание С в сотых долях. Если после цифирного обозначения увидите букву "Г", то речь идет о сталях с повышенным содержанием марганца. Как и в предыдущем случае степень раскисления указывается в конце. Пример: Сталь 20 – качественная углеродистая, содержание С 0,2%. Отсутствие каких-либо символов после цифр свидетельствует, что в составе металла менее 0,8% марганца, и он относится к спокойному типу. Сталь 40Гкп – углеродистая (0,4% С) с повышенным содержанием марганца, кипящая.
Маркировка инструментальных сплавов начинается с символа "У", за которым следуют числа, показывающие количество углерода в составе сплава. Только в этом случае С указывается в десятых долях. В конце шифра можно увидеть букву "А", так обозначаются сплавы повышенного качества. У4 – инструментальная углеродистая сталь (0,4% С). У8А – сплав (0,8%С) повышенного качества.
Загрузка...