Химический состав сталей и сплавов

Содержание

Словом «сталь» обозначают сплавы железа с углеродом и другими химическими элементами, отвечающие следующим условиям: углерода в сплаве от 0,1% до 2,14%, а железа – не менее 45%. Существуют обычные углеродистые стали, стали легированные и высоколегированные. В последних двух случаях в сплав добавляются легирующие элементы, которые придают стали особую прочность.

Для чего вообще железо смешивать с углеродом? Это начали делать после того, как открыли влияние углерода на железо, выявили, как изменяются после этого физические свойства железа: оно становится более прочным, крепким, но при этом теряет пластичность. Добавление легирующих элементов еще больше усиливает этот эффект.

Между собой стали подразделяются по различным признакам, а потому существует несколько их классификаций. Давайте рассмотрим их по порядку и начнем с уже упоминавшихся трех классов, сгруппированных по химическим признакам:

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

К таким сталям относят любые сплавы железа и углерода, не содержащие дополнительных легирующих элементов, и предназначенные для конструкционных и инструментальных задач. В свою очередь, углеродистая группа делится на подгруппы по количеству углерода в сплаве:

  • низкоуглеродистая (где присутствует до 0,25% углерода),
  • среднеуглеродистая (от 0,25% до 0,6% углерода в сплаве)
  • высокоуглеродистая (до 2% углерода).

Главное отличие углеродистых сталей – их высокие прочность и твердость, а в химическом плане – еще и малое содержание иных примесей.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Так называют все сплавы железа и углерода с добавлением (для прочности конечного продукта) легирующих элементов. Так же, как и углеродистые, стали легированные разделяются по подгруппам, в зависимости от качества и количества легирующей примеси в них:

  • низколегированные стали (в их сплаве менее 4% легирующих добавок)
  • среднелегированные (от 4% до 11% легирующих элементов в сплаве)
  • высоколегированные стали (в них более 11% легирующих элементов).

В качестве легирующих элементов могут выступать хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo). В сочетании с железом и углеродом они обеспечивают получившийся материал износостойкостью и высокой прочностью.

Далее, стали можно разгруппировать по их структуре:

АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ

Аустенитными сталями называют железные сплавы, которые при кристаллизации образуют однофазную аустенитную структуру γ-Fe c гранецентрированной кристаллической решеткой и сохраняют ее при охлаждении до криогенных температур. Данный класс также можно разделить на подгруппы:

  • коррозийностойкие аустенитные стали
  • жаростойкие аустенитные стали
  • жаропрочные аустенитные стали
  • хладостойкие аустенитные стали

Другое название данного класса сталей – «сталь аустенитного класса».

ФЕРРИТНАЯ СТАЛЬ

Так называется сталь со структурой из легированного феррита с допустимыми добавлениями карбидов. Ферритную сталь (иное название – сталь ферритного класса) получают с добавлением к железу небольшого количества углерода и большой доли легирующего элемента, например, ванадия или кремния.

МАРТЕНСИТНАЯ СТАЛЬ

Мартенсит – это игольчатая микроструктура в некоторых чистых металлах и закаленных металлических сплавах. Мартенситными сталями, в свою очередь, называют сплавы с преобладанием мартенсита в структуре. Помимо железа в таких сплавах содержится небольшое количество углерода (около 0,2%), и сравнительно большое количество хрома – от 11% до 17%. Допускается и наличие в мартенситной стали других элементов: никеля, ванадия или молибдена. Стали мартенситного класса стойки к щелочным средам, способны к самозакаливанию, обладают невысокой пластичностью и высокой жаропрочностью.

БЕЙНИТНАЯ СТАЛЬ

Бейнитом называют структуру стали, которая образуется в ходе промежуточного превращения аустенита. Поэтому иногда такую структуру называют «промежуточной». Химически сталь бейнитного класса отличается наличием легирующих добавок и низким содержанием углерода.

ПЕРЛИТНАЯ СТАЛЬ

Стали перлитного класса объединяют из следующих подгрупп:

  • доэвтектоидные стали (то есть, стали с содержанием углерода менее 0,8%)
  • эвтектоидные стали (стали с содержанием 0,8% углерода в сплаве)
  • заэвтектоидные стали (содержание углерода от 0,8% до 2%).

Все они отличаются сравнительно небольшим содержанием легирующих элементов.

Другой, наиболее простой способ классификации стали – по ее качеству, которое зависит от характеристик элементов, участвующих в создании сплава, и их количества в нем.

СТАЛЬ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

Самый дешевый вид стали, что обусловлено качеством сплава. В стали обыкновенного качества допускается присутствие загрязнений, сторонних (то есть, не входящих в «рецептуру» сплава) элементов и даже неметаллических вкраплений. Вместе с тем, у обыкновенной стали есть свои градации качества: А, Б и В, при этом, в маркировке стали указываются только буквы «Б» и «В». Если же в указании марки стали обыкновенного качества нет буквенного обозначения, то подразумевается по умолчанию, что она относится к классу «А». В чем же особенности этих подклассов?

  • сталь А – без указания химического состава, но с гарантией определенных механических свойств;
  • сталь Б – химические свойства указываются, но не гарантируются механические свойства материала;
  • сталь В – гарантируются определенные химические и механические свойства материала.

Из марок стали обыкновенного качества не рекомендуется изготавливать изделия, которые должны выдерживать большие нагрузки во время эксплуатации. Другое название стали обыкновенного качества – «рядовая сталь».

КАЧЕСТВЕННАЯ СТАЛЬ

К составу этой стали предъявляются гораздо более высокие требования, чем к предыдущей. В ней тоже допускаются включения неметаллических элементов, но совсем незначительные. Содержание серы в сплаве такой стали – не более 0,4%. Столько же может содержаться и фосфора – не более четырех десятых процента.

Плавят качественные стали в мартенах и кислородных конвертерах. Более высокие свойства качественной стали позволяют изготавливать изделия, которые допустимо использовать в сферах, где на них будет оказываться большая физическая нагрузка.

ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННАЯ СТАЛЬ

К составу этого вида стали предъявляются высокие стандарты. В сплаве не должно быть неметаллических вкраплений, процентное соотношение вредных примесей допускается совсем мизерное (серы – до 0,030%, фосфора – до 0,035%). Также понижено допустимое присутствие в высококачественном сплаве углерода.

Высококачественные стали выплавляются в электрических и кислых мартенах. Изготавливать из них можно любые металлические изделия, без боязни быстрой поломки или недостаточной износостойкости. При этом, нужно учитывать, что высококачественный сплав отличается повышенной вязкостью, нежели качественный.

СТАЛЬ ОСОБО ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННАЯ

Особо высококачественные стали изготавливаются с помощью самых современных методов, позволяющих не допускать сторонних, не входящих в «рецептуру» элементов и добиваться предельно высокой частоты сплава. Плавка таких сталей производится в электропечах с электрошлаковым переплавом. В химическом составе особо высококачественных сплавов практически нет газов и неметаллических вкраплений.

В конце марки особо высококачественных сталей принято ставить букву Ш. Поскольку производство таких материалов довольно трудоемкое и дорогое, то изготавливают из них изделия с наиболее ответственными функциями.

Наконец, популярно разделение сталей по их назначению. Такая классификация содержит большое множество групп:

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Применяются для изготовления механизмов, деталей, конструкции в строительстве, машиностроении, автомобилестроении, судостроении. Внутри этой группы сталей есть свои подгруппы, которые состоят из сплавов, различающихся между собой прежде всего качеством.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Так называют стали, которые содержат от 0,7% углерода и выше. Содержание серы и фосфора в сплаве определяет качество инструментальной стали (она может быть качественной и высококачественной).

Отличаются инструментальные стали невысокой стоимостью, высокой твердостью, но, при этом, невысокой износостойчивостью.

Внутри группы принято деление на следующие подгруппы:

инструментальные углеродистые стали

инструментальные легированные стали

инструментальные валковые стали

стали инструментальные штамповые

стали инструментальные быстрорежущие.

По названию всей группы не трудно догадаться, что из такого рода материалов изготавливают различные инструменты: метчики, топоры, молотки, пилы, фрезы и прочее.

НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

Другое их название – «коррозийно-стойкие стали». Само название указывает на главное их свойство: они не подвержены коррозийным влияниям и стойки к воздействию агрессивных сред. Достигается это за счет включения в сплав с железом металла с антикоррозийными свойствами. Чаще всего в этой роли в нержавеющих сталях выступает хром или соединение хрома и никеля. Чем больше содержание хрома в сплаве, тем более коррозийно-стойкой оказывается сталь.

СТАЛИ ЖАРОПРОЧНЫЕ

Главное их отличие – стойкость к высоким температурам, высокие показатели ползучести и длительной прочности (это основные характеристики жаропрочных материалов). Изделия из таких сталей можно использовать длительное время в условиях высокой температуры, не опасаясь, что они начнут деформироваться и разрушаться. Соответственно, из жаропрочных сталей делают лопатки паровых турбин, газовые турбины, котельные установки, детали ракет и многое другое.

Читайте также:  Аппарат для изготовления мороженого в домашних условиях

При создании жаропрочного сплава внимание прежде всего обращают на следующие характеристики основного компонента: температура плавления, легирование, режимы уже пройденной им термообработки.

По легированию жаропрочных сталей их подразделяют на уже рассмотренные на этой странице классы:

СТАЛИ ЖАРОСТОЙКИЕ

Другое название – «окалиностойкие стали». Они отличаются стойкостью к коррозийному воздействию в газовых средах при повышенных температурах (имеются в виду температуры выше 550 °C). Поверхность их не окисляется и не начинает разрушаться при таком температурном режиме, что позволяет изготавливать из них изделия, которые предназначены для функционирования в условиях повышенных температур. Изделиями могут быть части двигателей машин и самолетов, конструкционные части печей, трубы теплоприемников.

Чтобы добиться окалиностойких свойств, в сплав добавляют некоторые элементы, которые при повышении температур образуют на поверхности стали защитный слой. В современной металлургии элементами этими выступают хром или кремний, которые при окислении образуют оксиды. От количества хрома или кремния зависит степень жаростойкости материала. Чтобы добиться наиболее высоких жаростойких свойств, в сплав вводят и хром, и кремний одновременно.

Внутри жаростойких сталей есть свое разделение на группы, различающиеся составом и структурой:

  • стали хромистые ферритного класса
  • стали хромокремнистые мартенситного класса
  • хромоникелевые стали аустенитно-ферритного класса
  • хромоникелевые аустенитные стали.

И КРИОГЕННЫЕ СТАЛИ.

Остались еще вопросы?
Оставьте заявку и мы Вам перезвоним.

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

99% всей стали – материал конструкционный в широком смысле слова: включая стали для строительных сооружений, деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы – теплостойкие, нержавеющие, и т.п. Его главные качества – прочность (способность выдерживать при работе достаточные напряжения), пластичность (способность выдерживать достаточные деформации без разрушения как при производстве конструкций, так в местах перегрузок при их эксплуатации), вязкость (способность поглощать работу внешних сил, препятствуя распространению трещин), упругость, твердость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.

Для изготовления подшипников широко используют шарикоподшипниковые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ. Шарикоподшипниковые стали обладают высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью.

Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению (55С2, 60С2А, 50ХФА, 30Х13, 03Х12Н10Д2Т).

Высокопрочные стали имеют высокую прочность при достаточной пластичности (среднеуглеродистая легированная сталь 40ХН2МА), высокой конструктивной прочностью, малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению, низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью.

Классификация сталей и сплавов производится:

  • по химическому составу;
  • по структурному составу;
  • по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей);
  • по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице;
  • по назначению.

Химический состав
По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

  • малоуглеродистые – менее 0,3% С;
  • среднеуглеродистые – 0,3. 0,7% С;
  • высокоуглеродистые – более 0,7 %С.
  • низколегированные – менее 2,5%;
  • среднелегированные – 2,5. 10%;
  • высоколегированные – более 10%.

Структурный состав
Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

  • в отожженном состоянии – доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
  • в нормализованном состоянии – перлитный, мартенситный и аутенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному – с более высоким и к аустенитному – с высоким содержанием легирующих элементов.

Классификация стали по содержанию примесей

По качеству, то есть по способу производства и содё примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы
Классификация сталей по качеству

Группа S, % Р, %
Обыкновенного качества (рядовые) менее 0,06 менее 0,07
Качественные менее 0,04 менее 0,035
Высококачественные менее 0,025 менее 0,025
Особовысококачественные менее 0,015 менее 0,025

Стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Ст5кп.
Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.

Стали качественные

Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20). Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более стро-гих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.
Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.

Стали высококачественные

Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные – в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.

Стали особовысококачественные

Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

Классификация стали по назначению

По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали

Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.

Строительные стали

К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям – их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.

Стали для холодной штамповки

Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.

Цементируемые стали

Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).

Улучшаемые стали

К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению – термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали

Высокопрочные стали – это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях – таких, как ЗОХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ.

Пружинные стали

Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости – кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Подшипниковые стали

Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Автоматные стали

Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.)> обрабатываемых на станках-автоматах. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой. Недостаток автоматных сталей – пониженная пластичность. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ.

Износостойкие стали

Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.)- Пример износостойкой стали – высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали – легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях – нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость.
Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть:

  • ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20Х17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 – для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);
  • ферритной (15X28) – для растворов азотной и фосфорной кислот;
  • аустенитной (12Х18НЮТ) – в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;
  • мартенситно-стареющей (ЮХ17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) – в фосфорной, уксусной и молочной кислотах.

Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.

Читайте также:  Как разместить споты на потолке

Коррозионно-стойкие стали

Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.

Жаропрочные стали

Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Со и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, иодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):
при 400-550°С – 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;
при 500-600°С – 15Х5М, 40ХЮС2М, 20X13;
при 600-650°С – 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, ЮХЦН23ТЗМР,
ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.

Жаростойкие стали

Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при . 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Cr до +130СГС. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.

Криогенные стали

Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Cr, N1, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18НЮ, 12Х18НЮТ, ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АП9 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вяз-кость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Инструментальные стали

Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.

Стали для режущих инструментов

Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок У7, У7А, У13, У13А. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.

Легированные инструментальные стали

В данную группу сталей входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость – до +300°С. Наиболее широко используют стали 9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС (фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью – до +650°С. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, РЮК5Ф5.

Стали для измерительных инструментов

Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8. У12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Штамповые стали

Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.

Стали для штампов холодного деформирования

Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими. Например Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5ВЗМФС, 7ХГ2ВМ. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Стали для штампов горячего деформирования

Эти стали должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и высокой теплопроводностью. Примером таких сталей могут служить стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ.

Валковые стали

Данные стали применяют для рабочих, опорных и прочих валков прокатных станов, бандажей составных опорных валков, ножей для холодной резки металла, обрезных матриц и пуансонов. К валковым сталям относят такие марки стали, как 90ХФ, 9X1, 55Х, 60ХН, 7Х2СМФ.

Требования к стали для валков

Высокая прокаливаемость. Для обеспечения высокой закаливаемости необходимо использование таких марок стали, устойчивость переохлажденного аустенита которых в обеих областях превращения, во возможности, достаточна для развития мартенситного превращения при минимальных скоростях охлаждения, например, в масле.

Глубокая прокаливаемость. Прокаливаемость – это глубина закаленного слоя или, другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химического состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а также увеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости, поэтому необходимую прокаливаемость обеспечивают за счет оптимизации химического состава стали. Для данного типа стали необходима практически сквозная прокаливаемость, так как при этом обеспечивается жесткость валка, без которой затруднительно получение высокой точности проката. Среди элементов, увеличивающих прокаливаемость – кремний и бор.

Высокая износостойкость. Необходима для безаварийной работы стана. При высокой износостойкости образование абразивных частиц износа не происходит, система подшипников работает более надежно.

Высокая контактная прочность. Контактная прочность рабочего слоя валков должна быть выше контактных напряжений, возникающих в процессе прокатки с учетом естественных нагрузок.

Минимальная склонность к деформации и короблению в процессе термической обработки и неизменность размеров в процессе эксплуатации.

Удовлетворительная обрабатываемость при мехобработке, хорошая шлифуемость и полируемость для обеспечения высокой чистоты поверхности валков и, следовательно, высокого качества поверхности прокатываемого материала.

Любому специалисту, имеющему дело с металлом, знакомо понятие «марки стали». Расшифровка маркировки стальных сплавов дает возможность получить представление об их химическом составе и физических характеристиках. Разобраться в данной маркировке, несмотря на ее кажущуюся сложность, достаточно просто – важно только знать, по какому принципу она составляется.

Редкое производство обходится без стали, поэтому разбираться в его марках крайне важно

Обозначают сплав буквами и цифрами, по которым можно точно определить, какие химические элементы в нем содержатся и в каком количестве. Зная это, а также то, как каждый из таких элементов может влиять на готовый сплав, можно с высокой степенью вероятности определить, какие именно технические характеристики свойственны определенной марке стали.

Виды сталей и особенности их маркировки

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, при этом содержание последнего в ней составляет не более 2,14%. Углерод придает сплаву твердость, но при его избытке металл становится слишком хрупким.

Одним из важнейших параметров, по которому стали делят на различные классы, является химический состав. Среди сталей по данному критерию выделяют легированные и углеродистые, последние подразделяются на мало- (углерода до 0,25%), средне- (0,25–0,6%) и высокоуглеродистые (в них содержится больше 0,6% углерода).

Включая в состав стали легирующие элементы, ей можно придать требуемые характеристики. Именно таким образом, комбинируя вид и количественное содержание добавок, получают марки, обладающие улучшенными механическими свойствами, коррозионной устойчивостью, магнитными и электрическими характеристиками. Конечно, улучшать характеристики сталей можно и при помощи термообработки, но легирующие добавки позволяют делать это более эффективно.

По количественному составу легирующих элементов различают низко-, средне- и высоколегированные сплавы. В первых легирующих элементов не более 2,5%, в среднелегированных – 2,5–10%, в высоколегированных – более 10%.

Классификация сталей осуществляется и по их назначению. Так, выделяют инструментальные и конструкционные виды, марки, отличающиеся особыми физическими свойствами. Инструментальные виды используются для производства штамповых, мерительных, а также режущих инструментов, конструкционные – для выпуска продукции, применяемой в строительстве и сфере машиностроения. Из сплавов, отличающихся особыми физическими свойствами (также называемых прецизионными), изготавливают изделия, которые должны обладать особыми характеристиками (магнитными, прочностными и др.).

Классификация сталей по назначению

Стали противопоставляются друг другу и по особым химическим свойствам. К сплавам данной группы относятся нержавеющие, окалиностойкие, жаропрочные и др. Что характерно, нержавеющие стали могут быть коррозионностойкими и нержавеющими пищевыми – это разные категории.

Кроме полезных элементов, сталь включает и вредные примеси, к основным из которых относятся сера и фосфор. В ней также находятся газы в несвязанном состоянии (кислород и азот), что негативно отражается на ее характеристиках.

Если рассматривать основные вредные примеси, то фосфор увеличивает хрупкость сплава, особенно сильно проявляющуюся при низких температурах (так называемая хладноломкость), а сера вызывает появление трещин в металле, нагретом до высокой температуры (красноломкость). Фосфор, ко всему прочему, значительно уменьшает пластичность нагретого металла. По количественному содержанию этих двух элементов выделяют стали обыкновенного качества (не более 0,06–0,07% серы и фосфора), качественные (до 0,035%), высококачественные (до 0,025%) и особовысококачественные (сера – до 0,015%, фосфор – до 0,02%).

Читайте также:  Схема простого зарядного устройства для автомобильного аккумулятора

Маркировка сталей также указывает на то, в какой степени из их состава удален кислород. По уровню раскисления выделяют стали:

  • спокойного типа, обозначаемые буквосочетанием «СП»;
  • полуспокойные – «ПС»;
  • кипящие – «КП».

О чем говорит маркировка сталей

Расшифровать марку стали довольно просто, необходимо только владеть определенными сведениями. Конструкционные стали, обладающие обыкновенным качеством и не содержащие легирующих элементов, маркируют буквосочетанием «Ст». По цифре, идущей после букв в названии марки, можно определить, сколько в таком сплаве углерода (исчисляется в десятых долях процента). За цифрами могут идти буквы «КП»: по ним становится ясно, что данный сплав не до конца прошел процесс раскисления в печи, соответственно, он относится к категории кипящего. Если название марки не содержит таких букв, то сталь соответствует категории спокойной.

Химический состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества

Конструкционная нелегированная сталь, относящаяся к категории качественных, имеет в своем обозначении две цифры, по ним определяют среднее содержание в ней углерода (исчисляется в сотых долях процента).

Прежде чем приступить к рассмотрению марок тех сталей, которые включают легирующие добавки, следует разобраться в том, как данные добавки обозначаются. Маркировка легированных сталей может включать такие буквенные обозначения:

Список используемых легирующих добавок

Обозначение сталей с легирующими элементами

Как сказано выше, классификация сталей с легирующими элементами включает несколько категорий. Маркировка легированных сталей составляется по определенным правилам, знание которых позволяет достаточно просто определить категорию конкретного сплава и основную область его применения. В начальной части названий таких марок находятся цифры (две или одна), показывающие содержание углерода. Две цифры указывают на его среднее содержание в сплаве в сотых долях процента, а одна – в десятых. Есть и стали, не имеющие в начале названия марки цифр. Это означает, что углерод в этих сплавах содержится в пределах 1%.

Пример маркировки легированной стали

Буквы, которые можно увидеть за первыми цифрами названия марки, указывают на то, из чего состоит данный сплав. За буквами, дающими информацию о том или ином элементе в его составе, могут стоять или не стоять цифры. Если цифра есть, то по ней определяется (в целых процентах) среднее содержание указанного буквой элемента в составе сплава, а если цифры нет, значит, данный элемент содержится в пределах от 1 до 1,5%.

В конце маркировки отдельных видов сталей может стоять буква «А». Это говорит о том, что перед нами высококачественная сталь. К таким маркам могут относиться и углеродистые стали, и сплавы с легирующими добавками в своем составе. Согласно классификации, к данной категории сталей причисляются те, в которых сера и фосфор составляют не более 0,03%.

Примеры маркировки сталей различных видов

Определение марки стали и причисление сплава к определенному виду – это задача, которая не должна вызывать никаких проблем у специалиста. Не всегда под рукой есть таблица, в которой дается расшифровка названий марок, но разобраться с этим помогут примеры, которые приведены ниже.

Содержание элементов в распространенных марках стали (нажмите для увеличения)

Конструкционные стали, не содержащие легирующих элементов, обозначаются буквосочетанием «Ст». Цифры, стоящие следом, – это содержание углерода, исчисляемое в сотых долях процента. Несколько иначе маркируются низколегированные конструкционные стали. К примеру, в стали марки 09Г2С 0,09% углерода, а легирующие добавки (марганец, кремний и др.) содержатся в ней в пределах 2,5%. Очень похожие по своей маркировке 10ХСНД и 15ХСНД отличаются разным количеством углерода, а доля каждого легирующего элемента в них составляет не больше 1%. Именно поэтому после букв, обозначающих каждый легирующий элемент в таком сплаве, не стоит никаких цифр.

20Х, 30Х, 40Х и др. – так маркируются конструкционные легированные стали, преобладающим легирующим элементом в них является хром. Цифра в начале такой марки – это содержание углерода в рассматриваемом сплаве, исчисляемое в сотых долях процента. За буквенным обозначением каждого легирующего элемента может быть проставлена цифра, по которой и определяют его количественное содержание в сплаве. Если ее нет, то указанного элемента в стали содержится не больше 1,5%.

Можно рассмотреть пример обозначения хромокремнемарганцевой стали 30ХГСА. Она, согласно маркировке, состоит из углерода (0,3%), марганца, кремния, а также хрома. Каждого из данных элементов в ней содержится в границах 0,8–1,1%.

Как расшифровать маркировку сталей?

Чтобы расшифровка обозначения различных видов сталей не вызывала затруднений, следует хорошо знать, какими они бывают. Отдельные категории сталей имеют особенную маркировку. Их принято обозначать определенными буквами, что позволяет сразу понять и назначение рассматриваемого металла, и его ориентировочный состав. Рассмотрим некоторые из таких марок и разберемся в их обозначении.

Свойства и назначение конструкционных легированных сталей

Конструкционные стали, специально предназначенные для изготовления подшипников, можно узнать по букве «Ш», данная литера ставится в самом начале их маркировки. После нее в названии марки идет буквенное обозначение соответствующих легирующих добавок, а также цифры, по которым узнают количественное содержание этих добавок. Так, в сталях марок ШХ4 и ШХ15, кроме железа с углеродом, содержится хром в количестве 0,4 и 1,5%, соответственно.

Буквой «К», которая стоит после первых цифр в названии марки, сообщающих о количественном содержании углерода, обозначают конструкционные нелегированные стали, используемые для производства сосудов и паровых котлов, работающих под высоким давлением (20К, 22К и др.).

Качественные легированные стали, которые обладают улучшенными литейными свойствами, можно узнать по букве «Л», стоящей в самом конце маркировки (35ХМЛ, 40ХЛ и др.).

Некоторую сложность, если не знать особенностей маркировки, может вызвать расшифровка марок строительной стали. Сплавы данной категории обозначают буквой «С», которую ставят в самом начале. Цифры, следующие за ней, указывают на минимальный предел текучести. В таких марках также используются дополнительные буквенные обозначения:

  • литера Т – термоупрочненный прокат;
  • буква К – сталь, отличающаяся повышенной коррозионной устойчивостью;
  • литера Д – сплав, характеризующийся повышенным содержанием меди (С345Т, С390К и др.).

Нелегированные стали, относящиеся к категории инструментальных, обозначают буквой «У», она проставляется в начале их маркировки. Цифра, идущая за данной буквой, выражает количественное содержание углерода в рассматриваемом сплаве. Стали данной категории могут быть качественными и высококачественными (их можно определить по букве «А», она проставляется в конце названия марки). В их маркировке может содержаться буква «Г», что означает повышенное содержание марганца (У7, У8, У8А, У8ГА и др.).

Инструментальные стали, содержащие легирующие элементы в своем составе, маркируются аналогично с легированными конструкционными (ХВГ, 9ХВГ и др.).

Состав легированных инструментальных сталей (%)

Маркировка тех сталей, которые входят в категорию быстрорежущих, начинается с буквы «Р», за которой идут цифры, указывающие на количественное содержание вольфрама. В остальном марки таких сплавов называются по стандартному принципу: буквы, обозначающие элемент, и, соответственно, цифры, отражающие его количественное содержание. В обозначении таких сталей не указывается хром, так как его стандартное содержание в них составляет около 4%, а также углерод, количество которого пропорционально содержанию ванадия. Если количество ванадия превышает 2,5%, то его буквенное обозначение и количественное содержание проставляют в самом конце маркировки (З9, Р18, Р6М5Ф3 и др.).

Влияние некоторых добавок на свойства стали

По-особому маркируются нелегированные стали, относящиеся к категории электротехнических (их еще часто называют чистым техническим железом). Невысокое электрическое сопротивление таких металлов обеспечивается за счет того, что их состав характеризуется минимальным содержанием углерода – менее 0,04%. В обозначении марок таких сталей нет букв, только цифры: 10880, 20880 и др. Первая цифра указывает на классификацию по типу обработки: горячекатаная или кованная – 1, калиброванная – 2. Вторая цифра связана с категорией коэффициента старения: 0 – ненормируемый, 1 – нормируемый. Третья цифра указывает на группу, к которой данная сталь относится по нормируемой характеристике, принятой за основную. По четвертой и пятой цифрам определяется само значение нормируемой характеристики.

Принципы, по которым осуществляется обозначение стальных сплавов, были разработаны еще в советский период, но и по сей день успешно используются не только в России, но также в странах СНГ. Обладая сведениями о той или иной марке стали, можно не только определять ее химический состав, но и эффективно подбирать металлы с требуемыми характеристиками.

Разбираться в данном вопросе важно как специалистам, разрабатывающим и проектирующим различные конструкции из металла, так и тем, кто часто работает с различными сталями и занимается изготовлением из них деталей разного назначения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector