Сталь. Склад, класифікація та характеристика

Сталь — це сплав заліза з вуглецем, в якому вміст вуглецю менше 2,14 %, крім того, в сталі присутні постійні включення марганцю, кремнію, сірки, фосфору, що впливають на її властивості. Сталі, які застосовуються в машинобудуванні, містять від 0,05 до 1,3% С. Марганець і кремній застосовуються як розкислювачі, а присутність шкідливих домішок — сірки і фосфору — пояснюється трудністю їх усунення при виплавці сталі. Вміст постійних складових компонентів у сталі знаходиться в межах 0,35...0,40% Sі, 0,5...08 Мп, 0,05.-0,015 S, 0,045...0,025Р.

Марганець і кремній — корисні компоненти. Ці елементи підвищують міцність сталі, але зменшують пластичність. Сірка викликає високотемпературну крихкість сталі, а фосфор — низькотемпера­турну крихкість. Шкідливими включеннями також є гази (Н, О, N), що підвищують крихкість. Якщо кількість постійних складових ком­понентів (Мп, Sі, S, Р) не перевищує припустимого, то властивості сталі визначаються кількістю вуглецю. З його збільшенням міцність і твердість сталі збільшується, а пластичність і в'язкість зменшується.

Межа міцності досягає максимуму при 0,9% вуглецю, пода­льше збільшення концентрації вуглецю призводить до зниження міцності.

Високовуглецеві сталі, внаслідок високої твердості і низької теплопровідності, погано обробляються різанням. Низьковугле­цеві сталі також погано обробляються різанням, тому що утво­рюється зливна стружка. Найкраще обробляються різанням сталі, що містять 0,3...0,4% С. Зі збільшенням кількості вуглецю знижу­ється технологічна пластичність — здатність деформуватися в гарячому й особливо холодному стані. Вуглець погіршує зварю­вальні властивості сталі.

Структурними складовими сталей є ферит, перліт і цементит.

Ферит — твердий розчин вуглецю й інших складових домі­шок компонентів в об'ємноцентрованій кубічній решітці а — за­ліза, при 20°С концентрація вуглецю становить 0,006 %, а при 727 °С — 0,02%.

Перліт має концентрацію вуглецю 0,8% і складається з фериту і цементиту.

Цементит — хімічне з'єднання заліза з вуглецем — карбід заліза Fe₃C. У цементиті міститься 6,67 % С.

Сталі класифікуються за способом виробництва, ступенем розкислення, хімічним складом, призначенням, якістю й іншими ознаками.

За способом виробництва розрізняють сталь мартенівську (ос­новну або кислу), бесемерівську, томасівську, киснево-конвертерну та електросталь (дугову або індукційну).

За ступенем розкислення — спокійну, напівспокійну, киплячу.

За хімічним складом сталі можуть бути вуглецеві і леговані. За наявністю вуглецю сталі діляться на низьковуглецеві (до 0,3%), середньовуглецеві (0,3-0,7%) і високовуглецеві (понад 0,7%). За концентрацією легованих елементів сталі підрозділяють на низьколеговані (до 5%), середньолеговані (5-10%) і високолеговані (понад 10%).

За призначенням розрізняють сталі конструкційні, інструмен­тальні і сталі зі спеціальними властивостями (жароміцні, іржо­стійкі, зносостійкі й ін.).

За показниками якості сталі класифікуються на: звичайної якості, якісні, високоякісні й особливо високоякісні, залежно від вмісту газів і шкідливих включень (сірки, фосфору).

Відповідно до Держстандарту, сталі звичайної якості повинні містити не більше 0,045% Р та 0,05 S, якісні — не більше 0,035% Р та 0.040%> S, високоякісні — не більше 0.025% Р та 0,025 5 і особливо високоякісні — не більше 0,025% Р та 0,015 % 5.

Вуглецеві сталі. Класифікація та характеристика видів

Вуглецеві конструкційні сталі діляться на якісні і звичайної якості.

Якісні сталі характеризуються зниженим вмістом шкідливих домішок. Ці сталі виплавляються киснево-конвертерним спосо­бом, а також у мартенівських або електричних печах і застосову­ються для виготовлення найбільш відповідальних деталей ма­шин: колінчатих валів, шатунів двигунів, різноманітних деталей машин і механізмів, корпусів приладів і апаратів, зубчатих коліс і т. ін.і Ці сталі випускаються таких марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 і 85. Цифри показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка.

Низьковуглецеві сталі (0,3% С) мають невисоку міцність, їх застосовують для виготовлення невідповідальних деталей (шай­би, прокладки, змійовики, елементи зварних конструкцій, штам­пувальних виробів). Ці ж сталі після поверхневого зміцнення (цементації) використовуються для виробництва деталей, що працюють в умовах підвищеного зносу (колінчаті вали, штовхачі клапанів двигунів внутрішнього згорання).

Середньовуглецеві сталі (від 0,3 % до 0,55 %), що поєднують міцність і пластичність, застосовуються для виготовлення різно­манітних деталей у всіх галузях машинобудування (колінчаті ва­ли, шатуни, шестерні, деталі машин і т. ін.).

Сталі, що містять 0,55...0,75% С, мають найвищу міцність, зносостійкість, пружність. З них виготовляють пружини, ресо­ри. Сталі, призначені для виготовлення виливок, позначаються з додаванням літери «Л». Наприклад: 20Л, 30Л, 45Л, 70Л і т. ін.

Вуглецеві сталі звичайної якості (мартенівські, конверторні) у процесі виплавки менше звільняються від шкідливих домішок, їх відливають у великі виливки, тому вони містять підвищену кількість неметалевих включень і шкідливих включень, але це най­дешевші сталі. З них шляхом гарячого прокатування одержують листи, труби, балки, швелери, рейки й ін.

Залежно від призначення та гарантованості властивостей сталі звичайної якості діляться на три групи (А, Б, В).

Група А. Сталі поставляються з гарантованими механічними властивостями. їх використовують у стані постачання, тобто для виготовлення виробів, що не піддаються гарячій обробці. Випус­каються семи марок: СтО, Сті, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5 і Стб. Чим бі­льший номер марки, тим більший вміст вуглецю, тим вища міцність і нижча пластичність сталі.

Група Б. Сталі групи Б поставляються з гарантованим хіміч­ним складом. Призначені для виготовлення виробів, що підда­ються гарячій обробці, для вибору режимів якої необхідні дані по хімічному складу. Поставляється також семи марок: СтО, Сті, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб.

Група В. Сталі поставляються з гарантованим хімічним скла­дом і механічними властивостями. Застосовуються такі сталі для зварних конструкцій, де їх механічні властивості зберігаються в місцях, що не піддаються нагріванню при зварюванні. Випуска­ються п'яти марок: Сті, Ст2, СтЗ, Ст4, Стб.

Позначаються вуглецеві сталі звичайної якості літерами Ст, перед якими вказується група сталі за назвою: Б або В (для групи А букви не ставлять), а за буквами цифра, що визначає номер ма­рки, яка залежить від хімічного складу і механічних властивостей сталі.

Наприклад, марка сталі Ст4 сп, це сталь групи А, марки 4, спокійна; марка Б Ст2 кп — сталь групи Б, марки 2, кипляча; ма­рка В Ст2 пс — сталь групи В, марки 2, напівспокійна.

Автоматні сталі відрізняються гарною оброблюваністю рі­занням через підвищений вміст сірки (0,08...0,2%) і фосфору (0,08—0,15%). Вони призначені для виготовлення деталей масо­вого виробництва на швидкохідних верстатах-автоматах. їх мар­кують літерою А (автоматна) і цифрою, що показує середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Наприклад, А12, А20, А30.

Сірка і фосфор полегшують обробку деталей, полегшують відділення і подрібнення стружки, усувають прилипання металу на інструмент. Утворення сипучої стружки знижує нагрівання інструменту, збільшує його стійкість, що дозволяє підвищувати швидкість різання. Водночас вони знижують механічні власти­вості сталі - в'язкість,пластичність,корозійну стійкість. Тому автоматні сталі використовуються для виготовлення метизів і дрібних малонавантажувальних деталей машин і приладів.

Інструментальні сталі. Вуглецеві інструментальні сталі мар­кіруються буквою У і цифрою, що показує кількість вуглецю в десятих частках відсотка. Застосовуються сталі марок У7, У8, У8А, У10, У10А, У12, У13. У марках високоякісної сталі зі зни­женим вмістом сірки і фосфору (<0,02%) наприкінці ставиться буква А. Наприклад, У7А, У10А.

Сталі марок У7, У8 відрізняються максимальною в'язкістю і застосовуються для виготовлення інструменту, що піддається ударам (зубила, рашпілі, кувальні штампи, матриці, пуансони). Зі сталі марок У9, У10 виготовляють ріжучий інструмент — свердла, мітчики, розгортки. Сталі марок У12, У12А, У13 ви­користовуються для виготовлення інструменту, який повинен мати максимальну твердість і зносостійкість (терпуги, над­філі).