Материаловедение / 32

ГЛАВА 7. СТАЛИ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ

7.1. Классификация и маркировка сталей

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали кроме углерода и железа содержат до 0,8% марганца, до 0,4 % кремния, которые попадают в сталь в процессе ее получения при раскислении, а также вредные примеси - серу и фос­фор до 0,05 %.

Стали, содержащие 0,02.0,25 % С, относятся к низкоуглероди­стым, содержащие 0,30.0,60 % С - к среднеуглеродистым, при со­держании более 0,60 % С - к высокоуглеродистым сталям.

К легированным сталям относятся стали, содержащие легирую­щие элементы, вводимые с целью регулирования структуры и свойств, независимо от их количества. При содержании марганца более 0,8 % и кремния более 0,4 % их также относят к легирующим элементам.

В зависимости от количества легирующих элементов в стали их подразделяют на:

• низколегированные, содержащие до 2,5 % легирующих эле­ментов;

• среднелегированные, содержащие 2,5.. .10 % легирующих элементов;

• высоколегированные, содержащие более 10 % легирующих элементов.

По способу производства стали подразделяются на кислородно-конвертерные, мартеновские, электростали и стали особых методов выплавки (вакуумно-индукционной, электрошлаковой, электронно­лучевого переплава и др.).

По качеству различают стали обыкновенного качества, качест­венные, высококачественные и особовысококачественные.

Стали обыкновенного качества содержат до 0,05 % серы и до 0,04 % фосфора. Эти стали производятся кислородно-конвертерным способом и в мартеновских печах.

Качественные стали менее загрязнены неметаллическими вклю­чениями и содержат не более 0,04 % серы и не более 0,035 % фосфо­ра. Эти стали выплавляются в электропечах, а также в мартеновских печах и конвертерах.

Высококачественные стали, главным образом легированные стали, содержащие серы и фосфора не более 0,025 %, выплавляются преимущественно в электропечах, но возможно их получение и в мар­теновских.

Особовысококачественные стали представляют собой легиро­ванные стали, получаемые в основном специальными методами вы­плавки, содержащие серы и фосфора не более 0,015 %.

По структуре в отожженном или нормализованном состоянии стали подразделяются на стали перлитного, ледибуритного (карбид­ного), мартенситного, ферритного и аустенитного классов.

Перлитные стали характеризуются малой устойчивостью переох­лажденного аустенита, для которых кривая охлаждения при нормализа­ции пересекает кривые изотермического распада аустенита (рис. 7.1, а). К ним относятся углеродистые и низколегированные стали. Стали могут иметь структуру перлит, сорбит, троостит, перлит + феррит, перлит + + цементит вторичный.

Мартенситные стали обладают высокой устойчивостью аустенита. Кривая изотермических превращений переохлажденного аустенита на­ходится правее кривой нормализационного охлаждения (рис. 7.1, б). Структура мартенсит или мартенсит + остаточный аустенит. К ним от­носятся высоколегированные стали. Легирующие элементы сдвигают кривые изотермического превращения вправо.

Аустенитные стали сохраняют аустенитную структуру при ком­натной температуре. К ним относятся высоколегированные стали, у которых линия начала мартенситных превращений находится в об­ласти минусовых температур (рис. 7.1, в). Структура сталей - аусте­нит или аустенит + карбиды.

К ферритному классу относятся высокохромистые нержавею­щие, жаростойкие и жаропрочные стали. Структура сталей - феррит или феррит + карбиды.

Стали карбидного класса в литом состоянии имеют карбидную эвтектику, а в деформированном - первичные и вторичные карбиды. К ним относится большинство инструментальных высоколегирован­ных сталей.

По отношению к термической обработке различают стали це­ментуемые и улучшаемые.

К цементуемым относятся низкоуглеродистые стали с содержа­нием углерода от 0,12 до 0,25 % С.

К улучшаемым сталям относятся среднеуглеродистые стали, со­держащие 0,3.0,5 % С.

По назначению стали подразделяются на:

• конструкционные - строительные, машинно-строительные об­щего назначения (цементуемые и улучшаемые), машиностроительные стали специального назначения (пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, жаропрочные и др.). К этому классу относятся стали, со­держащие до 0,7 % С и малое количество легирующих элементов;

• инструментальные (для режущего инструмента, штамповые, для измерительного инструмента), в основном содержащие 0,7.1,3 % С, углеродистые и легированные хромом, молибденом, вольфрамом, вана­дием, кобальтом и др.;

• стали с особыми свойствами (химическими, физическими).

По прочности стали подразделяются на стали нормальной проч­ности (1000 < а_в < 1500 МПа) и высокопрочные (а_в > 1500 МПа).

Маркировка сталей

На просторах бывшего Советского Союза принята буквенно-цифровая система обозначения марок черных и цветных металлов.

Углеродистые стали обыкновенного качества в соответствии с ГОСТ 380-71 обозначаются буквами Ст и далее следует условный номер марки от 0 до 6, в зависимости от содержания углерода и меха­нических свойств сталей.

Для обозначения степени раскисления к обозначению марки стали добавляются индексы: кп-кипящая, пс-полуспокойная, сп-спокойная. Например, Ст 4 кп.

Углеродистые качественные конструкционные стали в соответст­вии с ГОСТ 1050-74 обозначаются словом Сталь, за которым следуют двухзначные цифры, показывающие среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Например, сталь 15 (содержание угле­рода 0,12...0,19 %); сталь 08 кп (содержание углерода 0,05...0,12 % С, сталь кипящая).

Углеродистые инструментальные стали обозначаются буквой У, за которой следуют цифры, обозначающие среднее количество угле­рода в десятых долях процента. Например, У8 (0,75.0,81 % С), У10 (0,95...1,04 % С). В высококачественных сталях в конце марки ставится буква А.

Легированные стали в своем обозначении содержат определен­ное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются сле­дующими буквами русского алфавита: Х - хром, Н - никель, В -вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Г - марганец, С -кремний, К - кобальт, Ю - алюминий, Д - медь, Р - бор, Ц - цирко­ний, Б - ниобий, Ч - редкоземельные элементы. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце обозначает, что сталь высококачественная.

В конструкционных легированных сталях первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Далее следует буква, обозначающая легирующий элемент и его со­держание в целых процентах. Если содержание легирующего элемен­та около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в конструкцион­ных сталях применяют хром, марганец, кремний в количестве от 1 до 2 %, никель - до 4 %. С целью улучшения определенных свойств в конструкционные стали вводится молибден до 0,2.0,4, вольфрам 0,5.1,2 %, ванадий 0,1.0,3 %, титан 0,1.0,2 %. Например, сталь 12Х2Н4 содержит 0,12 % С, 2 % Cr, 4 % Ni; сталь 30ХГСА - 0,30 % С, около 1 % Cr, Mn, Si, сталь высококачественная; сталь 18ХГТ -0,18 % С, по 1 % Cr и Mn около 0,1 % Ti. В сталях пониженной про-каливаемости в конце обозначения ставятся буквы ПП, а регламенти­рованной прокаливаемости - РП.

В инструментальных легированных сталях в начале обозначения марки стали ставится однозначная цифра, обозначающая содержание углерода в десятых долях процента. Если количество углерода около 1 % и более, то цифра опускается. Например, сталь 9ХГС содержит

0,9 % С и около 1 % Cr, Mn, Si; сталь 3Х2В8Ф - 0,3 % С, 2 % Cr,

8 %W, 0,2...0,5 %V; сталь ХВГ - 1 % С, по одному проценту Cr, W, Mn. Все инструментальные легированные стали являются высокока­чественными и поэтому буква А в конце не пишется. Если стали осо­бовысококачественные в конце обозначения марки ставится буква Ш через дефис.

В некоторых марках стали применяют дополнительные буквы, стоящие впереди обозначения марки, указывающие области их при­менения. Автоматные стали обозначаются буквой А, например, А20 (содержит 0,20 % С), шарикоподшипниковые стали - буквой Ш (ШХ15, содержит около 1 % С и 1,5 % Cr), быстрорежущие инстру­ментальные стали - буквой Р (Р18, содержит 18 % W, около 1 % С); Р6М5 (~1 % С, около 4 % Cr, 6 % W, 5 % Mo); магнитно-твердые ста­ли обозначаются буквой Е.

Нестандартные легированные стали маркируют условно с ука­занием завода изготовителя и порядкового номера. Выплавляемые за­водом «Электросталь» обозначаются буквой Э, «Днепропетровск-сталь» - Д, Златоустовским металлургическим заводом - З. После указания завода производителя следует буква И или П. Буква И обо­значает исследовательская, буква П - пробная партия. Например, ЭИ417, ЭП67 и др. После их промышленного освоения условные обо­значения заменяют на общепринятую маркировку, отражающую их химический состав.

7.2. Конструкционные стали

Конструкционные стали применяются для изготовления широ­кого класса деталей, работающих в различных климатических усло­виях, при воздействии статических и динамических нагрузок. Они должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошо со­противляться ударным нагрузкам, усталости, а испытывающие фрик­ционное взаимодействие - износостойкостью. От них требуется также высокие технологические свойства.

Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, никель, марганец и кремний. Для улучшения отдель­ных свойств дополнительно вводят вольфрам, молибден, бор, вана­дий, титан и другие элементы. Легированные стали имеют меньшую критическую скорость закалки и большую прокаливаемость, что по­зволяет производить закалку деталей с меньшими скоростями охлаж­дения, снижая соответственно внутренние напряжения и вероятность коробления деталей сложной конфигурации, а также опасность обра­зования закалочных трещин. Имея большую прокаливаемость, леги­рованные стали допускают изготовление деталей более крупного се­чения, чем углеродистые, обеспечивая необходимые требования к структуре металла по сечению.

5