Классификация и маркировка сталей

В основу классификации сталей заложены их химический состав, структура, назначение, технологическая обрабатываемость, качество. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Классификация по структуре - доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, феррито-перлитная, аустенитная, мартенситная. По назначению - конструкционные, машиностроительные и инструментальные.

Углеродистые стали.

По составу углеродистые стали в зависимости от содержания углерода делятся на три группы:

1) низкоуглеродистые — с содержанием углерода до 0,3 %;

2) среднеуглеродистые — до 0,7% углерода;

3) высокоуглеродистые — больше 0,7 % углерода.

По качеству стали классифицируют на обыкновенные, качественные и высококачественные, в зависимости от содержания примесей.

Если содержание серы находится в пределах 0,04-0,06 %, а фосфора от 0,04 до 0,08 %, то стали относят к обыкновенному качеству и маркируются буквами Ст. Если же содержание серы и фосфора меньше и находится в пределах 0,03—0,04 %, то такие стали относят к качественным. Углеродистые качественные конструкционные стали маркируются двумя цифрами, которые указывают содержание кислорода в сотых долях процента.

При содержании примесей в пределах, как правило, меньших 0,03 %, полагают, что стали обладают высоким качеством. Для обозначения их высокого качества используют букву А при маркировке углеродистых и большинства легированных сталей, ее ставят в конце обозначения маркиПод качеством стали понимают совокупность свойств, зависящих от способа ее производства. В зависимости от требований, предъявляемых к составу и свойствам стали, углеродистые стали делятся на ряд групп.

Сталь обыкновенного качества поставляется потребителям в соответствии с ГОСТ 380—71 и ее подразделяют на три группы: к группе А — относят стали с гарантируемыми механическими свойствами (поставляемая сталь не подвергается термической обработке); к группе Б - стали гарантированного состава (они подвергаются горячей обработке у потребителя); к группе В — стали сгарантированными составами и механическими свойствами (для сварных конструкций).

Для сталей группы А (Ст1 - Ст6) требования к механическим свойствам изменяются в определенном ин­тервале (σ _0,2 от 200 до 300 МПа; σ_В — от 310-410 до 500-600 МПа, а δ от 22 до 14 %, соответственно). Прочность стали тем выше, а пластичность стали тем ниже, чем больше номер ее подгруппы. Так сталь Ст6 прочнее стали СтЗ. Аналогичные цифры указываются и для сталей группы Б и В (например БСтЗ). Но букву А в маркировке стали обыкновенного качества не указывают, так как ее используют для маркировки так называемых автоматных сталей, обрабатываемых на станках автоматах.

По характеру раскисления стали делят на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают без газовыделения (спокойно). Кипящие стали раскисляют только марганцем, содержание кислорода в них повышенное. Взаимодействуя с углеродом, кислород образует пузыри СО, которые при выделении в процессе кристаллизации создают впечатление кипения. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и кремнием, по своему поведению они занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными.

Для облегчения понимания правил маркировки углеродистых сталей приведем конкретные примеры. Сталь марки ВСт3пс означает, что эта конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества, третьей категории, поставляемая по химическому составу и свойствам, полуспокойная. Маркировка же 08кп означает, что это - качественная конструкционная углеродистая сталь, содержащая 0,08 % С, кипящая. Марка 40А, означает, что сталь содержит около 0,40 % С и относится к сталям высокого качества.

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,7 – 2,3 % углерода. Они маркируются буквой У и цифрой, показывающих содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,….У13). Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная (У7А, У8А,….У13А). Твердость качественных и высококачественных сталей одинакова, но высококачественные стали менее хрупки, лучше противостоят ударным нагрузкам, дают при закалке меньше брака. Высококачественная сталь выплавляется в электрических печах, а качественная = вмартеновских и кислородных конвертерах.

Предварительная термообработка углеродистых инструментальных сталей - отжиг на зернистый перлит, окончательная - закалка в воде или растворе соли и низкий отпуск. После этого структура стали представляет собой мартенсит с включениями зернистого цементита. Твердость после термообработки в зависимости от марки лежит в интервале HRC 56-64.

Для углеродистых инструментальных сталей характерны низкая теплостойкость (до 200 °С) и низкая прокаливаемость (до 10-12 мм). Однако вязкая незакален­ная сердцевина повышает устойчивость инструмента против поломок при вибрациях и ударах. Кроме того, эти стали достаточно дешевы и в незакаленном состоянии сами хорошо обрабатываются.

Области применения инструментальных углеродистых сталей различных марок.

Стали У7, У7А — для инструментов и изделий, подвергающихся толчкам и ударам и требующих высокой вязкости при умеренной твердости (зубила, слесарные и кузнечные молотки, штампы, клейма, масштабные линей­ки, инструменты по дереву, центры токарных станков и т. д.).

Стали У8, У8А - для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (зубила, кернеры, матрицы, пуансоны, ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент, буры средней твердости).

Стали У9, У9А - для инструментов, требующих высокой твердости при наличии некоторой вязкости (кернеры, штемпели, зубила по каменным породам и столярный инструмент).

Стали У10, У10А - для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам, требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы, фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по каменным породам, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники, гребенки).

Стали У11, УНА, У12, У12А — для инструментов, тре­бующих высокой твердости (напильники, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, хирургический инструмент, пилы по металлу, метчики).

Стали У13, У1 ЗА - для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников).

Стали У8 - У12 применяются также для измерительного инструмента.

При маркировке легированных сталей используют буквы русского алфавита для обозначения легирующего элемента:

А – азот П – фосфор Б – ниобий Р – бор В – вольфрам Т – титан Г – марганец У – углерод Д – медь Ф – ванадий Е – селен Х – хром К – кобальт Ц – цирконий М – молибден Ю – алюминий.

Цифры с левой стороны букв обозначают среднее содержание углерода: если две цифры, то в сотых долях процента, если одна, то в десятых. Если цифра отсутствует, то это значит, содержание углерода в стали составляет около 1%.

Цифры после букв (справа) обозначают содержание легирующего элемента, выраженное в целых процентах. Если содержание легирующего элемента 1-1,5 % и менее, то цифра после буквы не ставится. Например, 60С2 содержит 0,6 % С и 2,0 % кремния, 7Х3 содержит 0,7 % С и 3 % хрома.

Буква «А» в конце обозначения марки – высококачественная сталь. Пример Все инструментальные легированные и с особыми свойствами стали всегда высококачественные, и буква А в их маркировке не ставится. «Ш» в конце – особовысококачественная сталь, 30ХГСА-Ш.

Буква «А», обозначающая легирование азотом, всегда стоит в середине маркировки.16Г2АФ – 0,015 – 0,025 % азота.

В маркировке сталей в начале иногда ставят буквы, указывающие на их применение:

А – автоматные стали (А20 содержит 0,15-0,20 % С);

АС – автоматная легированная свинцом (АС35Г2 содержит 0,35 % С, 2 % марганца и свинец менее 1%);

Р – быстрорежущие стали (Р18 содержит 17,5-19 % вольфрама);

Ш – шарикоподшипниковые стали (ШХ15 содержит 1,3-1,65 % хрома);

Э – электротехнические стали (Э11 содержит 0,8-1,8 % кремния).

Нестандартные стали часто маркируют условно. Например стали, выплавленные на заводе «Электросталь» обозначают буквой Э, рядом ставят букву И – исследовательская или П – пробная. После буквы ставят порядковый номер (ЭИ69 или ЭИ868, ЭП590). Стали, выплавленные на Златоустовском металлургическом заводе, обозначают ЗИ, на заводе «Днепроспецсталь» - ДИ.

Машиностроительные цементируемые и азотируемые стали.

Цементацию (азотирование) широко применяют для упрочнения средне размерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и др. Для деталей обычно используют низкоуглеродистые (0,15--,25 % С) стали. Содержание легирующих элементов в этих сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечивать требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

После цементации, закалки и низкого отпуска цементованный слой должен иметь твердость 58-62 НRС, а сердцевина 30-42 НRС. Сердцевина должна обладать высокими механическими свойствами, особенно повышенным пределом текучести, должна быть наследственно мелкозернистой. Для измельчения размера зерна цементируемые стали микролегируют ванадием,титаном, ниобием, цирконием, алюминием и азотом, образующими мелкодисперсные нитриды и карбонитриды, или карбиды, задерживающие рост зерна аустенита.

Цементируемые стали - 20Х, 18ХГТ, 20ХГР, 25ХГМ, 12ХН3А и др.

Машиностроительные улучшаемые стали называются улучшаемыми потому, что подвергаются термической обработке, заключающейся в закалке и отпуске при высоких температурах – улучшению. Это среднеуглеродистые стали (0,3-0,5 % С). Они должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости, должны хорошо прокаливаться. Применяются для изготовления коленчатых валов, валы, оси, штоки, шатуны, ответственные детали турбин и компрессорных машин.

Марки – 35, 45, 40Х, 45Х, 40ХР, 40ХН, 40ХН2МА и др.

Рессорно-пружинные стали – марки 70, 65Г, 60С2, 50ХГ, 50ХФА, 65С2Н2А, 70С2ХА и др. Эти стали относятся к классу конструкционных.

Эти стали должны иметь особые свойства в связи с условиями работы пружин и рессор, которые служат для смягчения толчков и ударов. Основное требование – высокий предел упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют углеродистые стали и стали, легированные элементами, повышающими предел упругости (кремний, марганец, хром, ванадий и вольфрам). Особенностью термической обработки рессорных листов и пружин является проведение после закалки отпуска при температуре 400-500⁰С. Такая обработка позволяет получать наиболее высокий предел упругости.

Шарикоподшипниковые стали – ШХ15 (0,95 –1,05 % С и 1,3-1,65 % хрома). Заэвтектоидное содержание углерода и хром обеспечивают получение после закалки высокой равномерной твердости, устойчивой после истирания, необходимой прокаливаемости и достаточной вязкости. Термическая обработка включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг снижает твердость и позволяет получать мелкозернистый перлит. Закалка проводится при 830-860⁰С, охлаждение в масле, отпуск 150-160 ⁰С. Твердость НRС 62-65, структура – бесструктурный мартенсит с равномерно распределенными мелкими карбидами.

Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников (диаметром более 400 мм), работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А (температура цементации 930-950⁰С в течение 50-170 ч, толщина слоя 5-10 мм).

Износоустойчивые стали – 110Г13Л (0,9-1,3 % С, 11,5-14,5 % марганца). Литая аустенитная сталь, после литья состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe,Mn)₃С, выделяющихся по границам зерен, что снижает прочность и вязкость стали. Поэтому литые изделия закаливают от 1100⁰С в воде. При этом карбиды растворяются и структура становится стабильной аустенитной.

Сталь имеет высокую прочность и сравнительно малую твердость. В процессе работы при ударных нагрузках происходит упрочнение (наклеп) поверхности стали при пластической деформации, в результате в поверхностном слое образуется мартенсит. Именно он обеспечивает высокую износостойкость. По мере износа внешнего слоя, мартенсит образуется в следующих слоях. Применяют для трамвайных стрелок, щек камнедробилок, козырьков ковшей, черпаков и т.д.

При циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном изнашивании применяют сталь 60Х5Г10Л, претерпевающую при эксплуатации мартенситное превращение.

Лопасти гидротурбин и гидронасосов, судовых гребневых винтов, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии, изготавливают из сталей с нестабильным аустенитом 30Х10Г10 и 0Х14АГ12, испытывающих при эксплуатации частичное мартенситное превращение.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие (окалиностойкие) и жаропрочные стали.

Коррозией называется разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды. В результате механические свойства сталей резко ухудшаются. Различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая развивается при воздействии газов (газовая коррозия) и не электролитов (нефть и ее производные). Электрохимическая вызывается действием электролитов (кислот, щелочей и солей, атмосферная и почвенная коррозия).

Сталь, устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах (выше 550⁰С), называют окалиностойкой или жаростойкой.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали – это стали, устойчивые к электрохимической, химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой) коррозии. Повышенная стойкость к коррозии достигается введением в сталь элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с поверхностью и повышающие электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах.

Жаростойкость (окалиностойкость) сталей повышают путем легирования хромом, алюминием или кремнием, т.е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки окислов (Cr,Fe)₂O₃, (Al,Fe)₂O₃. Окалиностойкость зависит от химического состава, а не от структуры.

Жаростойкие ферритные стали: 12Х17, 15Х25Т Х15Ю5.

Жаростойкие аустенитные: 20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР и др.

Нержавеющие стали получают легированием хромом или хромом и никелем в зависимости от среды эксплуатации. Два основных класса: хромистые (ферритные, мартенситно-ферритные, в которых феррита не более 10 % и мартенситные) и хромоникелевые (аустенитные, аустенитно-мартенситные или аустенитно-ферритные).

Марки 12Х13, 20Х13 –используют для предметов домашнего обихода, клапанов гидравлических прессов.30Х13 и 40Х13 используют для хирургических инструментов. Марки: 12Х18Н9 и 17Х18Н9 – для изготовления труб, деталей, свариваемых точечной сваркой, 04Х18Н10 –для изготовления химической аппаратуры.

Стали и сплавы для режущего инструмента.

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (60-65 НRС), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебуритные стали, структура которых после закалки и низкого отпуска мартенсит и избыточные карбиды. Содержание углерода в таких сталях должно быть делнн 0,6 ма. % для легированных и более 0,8 мас. % для углеродистых.

Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость – способность сохранять высокую твердость при нагреве (устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы).

Все инструментальные стали разделяют ни три группы:

- не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-4 % легирующих элементов);

- полутеплостойкие до 400-500⁰С (высоколегированные стали, содержащие свыше 0,6-0,7 % С и 4-18 % Cr);

- теплостойкие до 550-650⁰С (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, V, Mo, Co, ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.

Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость (способность стали закаливаться на различную глубину). Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью (т.е. глубина закалённого слоя большая). Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).

О маркировке углеродистых инструментальных сталей говорилось в начале главы. Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т.д. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание меньше 1 %. Если углерода примерно 1 %, то цифра чаще отсутствует. Буквы означают легирующие элементы, а следующие за ними цифры – содержание в целых процентах соответствующего элемента.

Буквой Р маркируют быстрорежущие стали. Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама - в процентах. Среднее содержание молибдена в процент ах обозначают цифрой после буквы М, кобальта – после К, ванадия – после Ф и т.д. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается. Содержание углерода в них около 1 мас. %.

Стали для измерительного инструмента.

Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали Х и 12Х1. Измерительный инструмент обычно подвергают закалке в масло от возможно низких температур 850-870⁾С с целью получения минимального количества остаточного аустенита. Непосредственно после закалки измерительный инструмент подвергают обработке холодом при – 70⁰С и отпуску при 120 - 140⁰С в течение 20 - 50 ч. Нередко обработку холодом проводят многократно. Твердость после такой обработки составляет 63-64 НRС.

Плоские и длинные измерительные линейки изготавливают из листовых сталей 15,15Х. Для получения рабочих поверхностей с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Стали для штампов холодного деформирования.

Штампы холодного деформирования работают в условиях высоких переменных нагрузок, выходят из строя вследствие хрупкого разрушения, малоцикловой усталости и изменения формы и размеров за счет смятия (пластической деформации) и износа. Поэтому стали, используемого для изготовления штампов холодного деформирования, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. Стали должны обладать также высокой теплостойкостью, поскольку в процессе деформирования штампы разогреваются до температур 200-350⁰С.

Хромистые стали Х12Ф1 и Х12М используют для штампов сложной формы, поскольку они мало деформируются при закалке в масло; молибден и ванадийсодержащие стали Х12Ф1 и Х12М с хорошей прокаливаемостью (обладают высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, молибден и ванадий способствуют сохранению мелкого зерна). Недостатки этих марок сталей – плохо обрабатываются резанием в отожженном состоянии, резко выражена карбидная неоднородность, которая приводит к снижению механических свойств.

Стали для штампов горячего деформирования.

Такие штампы работают в очень жестких условиях. Они разрушаются вследствие пластической деформации (смятия), хрупкого разрушения, образования сетки разгара (трещин) и износа рабочей поверхности. Поэтому стали для штампов горячего деформирования должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью, высокой теплопроводностью для лучшего отвода теплоты, передаваемой обрабатываемой заготовкой.

Разгаростойкость – это способность выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Штампы больших размеров должны обладать хорошей прокаливаемостью. Важно, чтобы сталь не была склонна к обратимой отпускной хрупкости, так как быстрым охлаждением крупных штампов ее устранить нельзя. Полутеплостойкие стали 5ХНМ и 5ХГМ, которые обладают повышенной вязкостью и упрочняются в результате мартенситного превращения, применяют для изготовления крупных ковочных штампов, а также инструмента ковочных машин и прессов, нагревающихся до температуры не выше 500-550⁰С при умеренных нагрузках.

Средненагруженных инструмент, работающий с разогревом поверхности до 600⁰С изготавливают из сталей 4Х5ВФС и 4Х5МФ1С. Эти стали упрочняются за счет мартенситного превращения и дисперсионного упрочнения при отпуске за счет выделения специальных карбидов М₂₃С₆ и М₆С. Превращения в этих сталях при термообработке сходны с превращениями в быстрорежущих сталях. Штамповые стали часто подвергают азотированию, борированию, реже – хромированию.

Твердые сплавы.

Твердыми называют сплавы, изготавливаемые методом порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединенные кобальтовой связкой.

Различают 3 группы твердых сплавов:

1 – вольфрамовые (ВК3, ВК6, ВК10);

2 – титановольфрамовые (Т30К4, Т15К8, Т5К12);

3 – титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б).

В марках первые буквы обозначают группу, к которой относится сплав: ВК – вольфрамовая, Т – титановольфрамовая, ТТ – титанотанталовольфрамовая. Цифры в вольфрамовой группе – количество кобальта, в титановольфрамовой первые цифры - количество карбида титана, а вторые цифры – количество кобальта; в титанотанталовольфрамовой группе первые цифры – количество карбидов титана и тантала, вторые – количество кобальта.

Если в конце через черточку стоит буква М (ВК6-М), то сплавы изготовлены из мелких порошков, если буква В (ВК4-В) – из крупнозернистого карбида вольфрама. Буквы «ОМ» в конце через черточку – сплавы изготовлены из особо мелких порошков, а «ВК» – из особо крупного карбида вольфрама.

Разработаны твердые сплавы, не содержащие дефицитный вольфрам, - на основе TiC + Ni + Mo (сплав ТН-20, цифра указывает суммарное содержание Ni и Mo) и на основе карбонитрида титана Ti(NC) + Ni + Mo (КНТ-16).

Часто на рабочие поверхности многогранных неперетачиваемых пластин из твердых сплавов (режущие части инструмента) наносят карбидные или нитридные покрытия.