38. Черные металлы и сплавы: классификация, ассортимент и свойства сталей и чугунов, особенности маркировки.

Черные металлы и сплавы занимают важное место в международной торговле. При таможенной экспертизе особое значение придается структуре металлов и сплавов.

7.2.3. Классификация, обозначение и применение сталей

Единой мировой системы классификации сталей практически не существует. В России классификация стали и требования к ее составу и качеству определяются соответствующими стандартами и техническими условиями. Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу, качеству и назначению. По химическому составу стали условно подразделяют на углеродистые (без легирующих элементов), низколегированные, легированные, высоколегированные, стали и сплавы с особыми физикохимическими свойствами.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. В зависимости от количества углерода углеродистые стали подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % углерода), среднеуглеродистые

(0,25—0,7 %), высокоуглеродистые (более 0,7 %). Легированными называют стали, в которых кроме железа, углерода, случайных примесей и технологических добавок содержатся легирующие элементы для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден и др. В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных — от 2,5 до 10, в высоколегированных — более 10 при содержании в них железа не менее 45 %. Сплавы на основе железа содержат железа менее 45 %, но его количество больше, чем любого другого элемента.

В зависимости от вида легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми либо хромоникелевыми, хромомарганцовистыми и т. д.

По назначению выделяют следующие основные группы сталей: топочную и котельную, для железнодорожного транспорта (рельсовую, для бандажей железнодорожных колес и др.), конструкционную (для изготовления различных металлоконструкций, строительства зданий, мостов, различных машин), шарикоподшипниковую, инструментальную (для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечно-штамповочного оборудования и др.), рессорно-пружинную, трансформаторную, орудийную, трубную и др. По структуре классификация в значительной степени условна.В равновесном состоянии стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. После охлаждения на воздухе образцов небольшого сечения с температурой приблизительно 900 °С стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками по качеству стали являются более жесткие требования по химическому составу, и прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как фосфор и сера.

Категория обыкновенного качества относится только к углеродистым сталям, все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на три группы:

• А — поставляемую по механическим свойствам и применяемую в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (СтО, Ст1 и др.);

• Б — поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а уровень их кроме условий обработки определяется химическим составом (БСтО, БСт1 и др.);

• В — поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).

Легированную сталь по степени легирования разделяют:

• низколегированная (легирующих элементов до 2,5 %);

• среднелегированная (от 2,5 до 10 %);

• высоколегированная (от 10 до 50 %).

В зависимости от основных легирующих элементов различают сталь 14 групп.

К высоколегированным сталям и сплавам с особыми физико-химическими свойствами относят:

• коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии; межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;

• жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре выше 550 °С, работающие в ненагруженном ислабой агруженном состоянии;

• жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью;

• износостойкие стали;

• электротехнические (магнитомягкие);

• магнитотвердые (для постоянных магнитов);

• немагнитные стали;

• стали с высоким электросопротивлением;

• стали с заданным температурным коэффициентом линейного расширения;

• стали с заданными упругими свойствами.

Обозначение марок сталей и сплавов

Для обозначения марок сталей и сплавов принята буквенно-цифровая система.

Углеродистые стали обыкновенного качества. Стали обыкновенного качества являются наиболее дешевыми и широко применяются в тех случаях, когда к материалу не предъявляются повышенные требования.

Из углеродистых сталей обыкновенного качества изготавливают балки, прутки, листы, трубы; сварные, клепаные и болтовые конструкции (балки, фермы, детали подъемных кранов и др.); малонапряженные

детали машин (оси, валы, шестерни, втулки, валики, болты и др.). Детали машин часто упрочняются с помощью термической обработки. Сталь углеродистая обыкновенного качества поставляется тремя группами: группа А — с гарантируемыми механическими свойствами; группа Б — с гарантируемым химическим составом; группа В — с гарантируемыми механическими свойствами и предельным содержанием

отдельных элементов.

Сталь группы А маркируется буквами ≪Ст≫, за которыми следуютцифры: 0, 1, 2 и далее до 7. Сталь группы Б маркируется также, но впередимарки указывается способ выплавки буквами: ≪М≫ — мартеновская, ≪Б≫ — бессемеровская и≪К≫ — конверторная, например МСтЗ.

Впереди марки стали подгруппы В ставится буква ≪В≫, а затем способвыплавки (мартеновский и конверторный), например ВМСтЗ. Маркисталей после цифры могут иметь буквы ≪кп≫ или ≪пс≫, указывающие

соответственно, что сталь кипящая или полуспокойная. При отсутствиитаких букв — сталь спокойная.

В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группыподразделяется на категории: группа А — 1, 2, 3; группа Б — 1, 2; группаВ — 1, 2, 3, 4, 5, 6. Категория стали обозначается цифрой в концемарки, например, СтЗпс2, СтЗкп2 и т. д. Первая категория в обозначении марки стали не указывается. Полуспокойная сталь с повышенным содержанием марганца обозначается — СтЗГпс, ВСтЗГпс, ВСтГпсЗ. Углеродистые качественные конструкционные стали. К углеродистым качественным конструкционным сталям предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами: 05, 08, 10, 15, 20,..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такие стали делят на несколько групп. Низкоуглеродистые качественные стали 05, ..., 10 (без термической

обработки) хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин и сварных конструкций. Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых качественных сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Их применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии для изготовления неответственных деталей машин, после цементации — для изготовления деталей с повышенной износостойкостью (кулачковые валики, кронштейны и др.). Самой значительной является группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергающихся термической обработке. Они хорошо обрабатываются на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Сочетание высоких прочностных и пластических свойств позволяет

применять эти стали для изготовления ответственных деталеймашин (шпиндели, распределительные валы и др.). Высокоуглеродистые стали 60,65,70,75, 80 и85 подвергаются различным видам термической обработки, в результате чего они приобретают высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Применяются

для изготовления пружин, рессор, замковых шайб и др. Углеродистые инструментальные стали. Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, затем цифру — среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9% С, сталь У11 содержит 1,1 % С.

Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится

буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом элекгрошлакового переплава с вакуумированием) — буква Ш. В марках некоторых специальных сталей буква впереди указывает

на назначение: А — автоматная сталь (А30), Р — быстрорежущая сталь

(Р12) и др.

Легированные стали. В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают буквами: А — азот, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Ф — ванадий, М — молибден, X — хром, Ц — цирконий, Ю — алюминий. Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество того или иного элемента, округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (инструментальные стали) долях процента

Коррозионностойкие конструкционные стали содержат не менее 12 % хрома и применяются для коррозионностойких изделий (лопатки турбин, трубопроводы, теплообменники, посудохозяйственные изделия, предметы домашнего обихода, архитектурные сооружения, автомобили, медицинская техника и др.).

В марках быстрорежущих сталей вначале приводят букву Р, а за ней следует цифра, указывающая содержание вольфрама в процентах. Во всех быстрорежущих сталях содержится около 4 % г, поэтому в обозначении

марки буквы X нет. Основным требованием для режущего инструмента является его высокая твердость, которая должна сохраняться при высоких температурах, т. е. инструмент должен обладать теплостойкостью (красностойкостью). По этому показателю инструментальные стали подразделяют натри группы:

1. Легированные стали перлитного класса, которые могут работать только при относительно малой скорости резания (разогрев режущей кромки инструмента допускается до температуры не выше 200— 260 °С). По составу это чаще всего заэ втектоидные стали с небольшойдобавкой легирующих элементов марок 9X1, 9ХС, ХГС, ХВГ.

2. Быстрорежущие стали ледебуритного класса, которые позволяютпроизводить обработку резанием с высокими скоростями (режущаяспособность инструмента сохраняется при его разогреве в процессеработы до 600—650 °С). Основными легирующими элементами в быстрорежущейстали являются хром и вольфрам с добавками молибдена, ванадия, а иногда кобальта и азота. Марки быстрорежущей стали: Р18 (0,7—0,8 % С; 3,8-4,4 % Сг; 17-18,5 % W; 1-1,4 % V), Р6М5. Применение быстрорежущих сталей позволяет увеличить стойкостьинструмента в 10—15 раз и скорость резания в 3—4 раза по сравнениюс углеродистыми и низколегированными сталями.

3. Твердые сплавы (не являются сталью) состоят из кобальта и карбидоввольфрама, титана и тантала. По сравнению с быстрорежущимисталями рабочая температура резания инструмента из твердых сплавовможет быть увеличена до 800—1000 °С. Пример твердого сплава: Т15К6 — двухкарбидный инструментальный твердый сплав, содержащий6 % кобальта, 15 % карбида титана, остальное — карбид вольфрама.