Классификация, маркировка, применение сталей

 

Стали классифицируют по способу производства, назначению, химическому составу, степени раскисления,, качеству, структуре.

По способу производства разли­чают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конверторным способом.

По назначению стали подразделяют на

- конструкцион­ные (общего и специального назначениями особыми свойствами).

- инст­рументальные.

К конструкционным сталям общего назначения относятся строительные и машиностроительные углеродистые и низколегированные, содержащие углерода до 0,8%.

К конструкционным сталям специального назначения и сталям с особыми свойствами относятся широкоподшипниковые, рессорно-пружинные, коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные, стали с особы­ми магнитными, электрическими и тепловыми свойствами, корпусные ста­ли для судостроения г др.

Инструментальные стали применяют для изготовления режущих, измерительных и ударно-штамповочные инструментальные.

Содержание углерода в инструментальных сталях больше 0,8%.

По химическому составу стали классифи­цируют на:

углеродистые и легированные.

По концентрации углерода те и другие подразделяю на низкоуглеродистые (<0,3% С), среднеуглеродистые (0,3 - 0,7%С) и высокоуглеродистые (>0,7%С).

Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяю на хромистые, марганцевистые, хромоникелевый и многие другие.

По количест­ву введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегирующих сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных содержится от 5 до 10%, в высоколегированных - более 10%.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и ки­пящие.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием.

Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения.

Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка, частично взаимодействуя о углеродом, удаляется а виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название.

Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремнии (Si £0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и алюминием.

По качеству стали классифицируются на стали

обыкновен­ного качества, (массовое содержание серы и фосфора не более 0,045% каждого),

качественную (не более 0,035% каждого),

высококачествен­ную (не белее 0,025% каждого)

особовысококачественную (не более 0,015% S и 0,025% Р), получаемую при рафинирующих переплавах.

Способы повышения качества стали:

- легирование

Повышение качества стали при легировании достигается в первую очередь за счет изменения ее состава.

- термическая обработка

Повышение качества стали при термической обработке достигается в первую очередь за счет изменения ее структуры.

 

Товарная классификация стали

Основой товарной классификации стали является её химический сос­тав, назна­чение стали и ее качество, так как от суммы этих признаков зависят свойства стали, ее стоимость, методы приемо-сдаточного контроля.

Углеродистая сталь

По применению все углеро­дистые стали делят на два подтипа: конструкционную к инструментальную.

Конструкционной называют сталь, пригодную для изготовления различных деталей машин и конструкций. Она должна об­ладать комплексом высоких механических свойств, то есть быть дос­таточно прочной и пластичной в условиях самых разнообразных внешних нагрузок - статических, динамических, растягивающих и т.д. Кроме того, конструкционная сталь должна иметь высокие технологи­ческие свойства, то есть хорошо отливаться, обрабатываться давлением, резанием, хорошо свариваться, так как из нее изготавливают изделия сложной формы.

В зависимости от качества углеродистую конструкционную сталь делят на два вида:

- сталь обыкновенного качества

- качественную.

Сталь углеродистая обыкновенного качества по ГОСТ 380-2005 изготавливают кислородно-конверторным и мартеновским способами.

Сталь углеродистая обыкновенного качества широко применяется в строительстве, а также в машиностроении. Эта самая дешевая и массовая конструкционная сталь, при производстве которой не предъявляют особо высоких требований к составу шихты, процесса плавки и разливки.

Обозначение марки стали состоит из букв Ст, означающих, что это сталь.

Впереди них ставят индекс группы стали по назначению: Б и В (если груша А, то букву не ставят).

Затем следуют цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава стали и механических свойств, однако в этих сталях не указывает численно массового содержания углерода.

После цифр указывают степень раскисления индексами: «кп» - кипящая, «пс» - полуспокойная, «сп» - спокойная. Сталь всех групп с номерами 1,2,3,4 по степени раскисления изготавливают кипящей, полуспокойной и спокойной, с номерами 3Г, 5 и 6- полуспокойной и спокойной, 5Г – полуспокойной.

Маркировка и расшифровка некоторых видов стали:

БСт 3кп - сталь группы Б, марка 3, кипящая;

Ст 4пс – сталь группы А, марка 4, полуспокойная;

ВСт 2сп – сталь группы В, марка 2, спокойная.

Сталь обыкновенного качества предназначается для изготовления строительных конструкций, арматуры крепежа, деталей машин не несущих повышенных нагрузок.

При этом стали группы А предназначены для изделий, которые при изготовлении не подвергаются горячей обработке (сварке, ковке); стали группы Б – для изделий с применением горячей обработки (в этом случае надо знать химический состав ста­ли для определения режимов горячей обработки); стали В широко применяют для изготовления сварных конструкций, при расчете которых важно знать также и механические свойства.

Цветная маркировка продукции из стали углеродистой обыкновенного качества производится несмываемой краской,

Сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-88) отличается более высокими механическими свойствами, чем сталь обыкновенного качества, т.к. содержит меньше серы (не более 0,040%), фосфора (не более 0,35%) и неметаллические включения. Ее изготавливают в мартеновских и электрических печах с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки, чем сталь обыкновенного качества. Поставляется с гарантией химического состава.

Углеродистая качественная сталь выпускается горячекатаная и кованная марок 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 и 60. Химический состав углеродистой качественной стали приведен в таблица 3.6. Ее маркируют двухзначными цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали марок 20,25,30,35 додержится соответственно от 0,20 до 0,35% С.

Из качественной стали изготавливают ответственные детали машин и механизмов, поковки, штамповки, прутки, серебрянку – светлые круглые прудки точных размеров со специальной отделкой поверхности.

Сталь конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резанием (автоматная) – ГОСТ 1414-75 (ее еще называют сернистой) занимает особое место среди уг­леродистых конструкционных сталей.

Ее используют для массового изготовления различных неответственных деталей на металлорежущих стан­ках и автоматах. По химическому составу она отличается повышенным содержанием серы и фосфора.

Обозначение марок автоматной стали начинается о буквы А, а затем следует цифра характеризующая среднее содержание углерода, в сотых долях процента. Ее выпускают четырех марок А11, А12, А20, А30, А35, А40Г, в ко­торых количество углерода равно 0,11; 0,12; 0,20; 0,30; 0,35; 0,40%. Выплавляют автономную сталь в мартеновских печах и конвертерах.

Инструментальной называют сталь, которая по своим свойствам пригодна для изготовления всякого рода инструментов. Одной из плавных характеристик инструментальной стали является теп­лостойкость (или красностойкость), то есть устойчивость при нагрева инструмента в процессе работы. Другой важной характерной чертой яв­ляется прокаливаемость. Она также должна обладать высокой твердостью (значительно более высокой, чем обрабатываемая инструментом конст­рукционная сталь), высокой износостойкостью для сохранения при резании размеров и формы режущей кромки, а также достаточной прочностью и пластичностью, чтобы избежать поломки инструмента в процессе ра­боты.

Сталь инструментальная углеродистая (ГОСТ 1435-99) Промышленность выпускает 7 марок качественной инструментальной стали: У7,У8,У9,У10,У11,У12,У13, столько же и с таким же содержанием углерода высококачественных: У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У13А, У12А и две марки с повышенным содержанием марганца: У8Г и У8ГА.

Инструментальную углеродистую сталь маркируют буквой У (уг­леродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, У8 содержит 0,8% углерода.

Если после цифры никаких букв нет, то это сталь качественная, если стоит буква А, то высококачественная, и если Г, то это повышенным содержанием марганца.

Высококачественная сталь отличается меньшим содержанием вредных примесей. Кроме того, высококачественная сталь более чистая по неметаллическим включениям и имеет сужению пределы содержания кремния, марганца.

Углеродистые инструментальные стали можно использовать в ка­честве режущего инструмента только для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью, тая как их твердость сильно снижает­ся при нагреве выше 190-200⁰С.

 

Легированная сталь

Легированной сталью называются сплавы железа с углеродом, в состав которых введены одна или несколько специальных добавок (легирующих элементов) в количестве, заметно изменяющим структуру стали, ее свойства и условия термической обработки.

Вводимые в сталь легирующие моменты улучшают: ее механические, физические и химические свойства. Наиболее часто применяемыми легирующими элементами являются марганец, кремний, хром, никель, вольф­рам, молибден, кобальт, ванадий, титан и ряд других.

Химический состав легированной отели является основным пока­зателем, от которого зависят от свойства, качество, область при­менения, стоимость, поэтому он должен быть отражен в ее наименова­нии и в обозначении марки.

Легированная конструкционная сталь (ГОСТ 4543-71) содержит большое суммарное количество легирующих добавок (до 10%) и обя­зательно меньшее количество вредных примесей по сравнению с низ­колегированной конструкционной сталью. Количество углерода в них составляет от 0,1 до 0,55%.

В зависимости от химического состава и свойств конструкцион­ная легированная сталь делится на категории:

1) качественная;

2) высококачественная - А;

3) особовысококачественная - Ш, получаемая электрошлаковым пере­плавом.

Обозначение марки стали должно давать представление и о ко­личестве легирующих элементов. С этой целью разработана система условных обозначений марок стали, состоящая из сочетания цифр и букв.

Для обозначения легирующих элементов приняты следующее буквы:

Х – хром; Н – никель; Г – марганец; С – кремний; В – вольфрам; М –молибден; Ф – ванадий, К – кобальт; Т – титан; Ю – алюминий, Д –медь; П – фосфор; Р – бор; Б –ниобий, А – азот (ставить в конце маркировки запрещается), Е – селен, Ц – цирконий.

Букву А в конце маркировки используют для обозначения высококачест­венной стали.

Для обозначения особовысококачественной стали в конце маркировки ставят букву Ш (через дефис), например, 30ХГС-Ш.

Для стали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первые две цифры указывают среднее массовое содержание уг­лерода в сотых долях процента, если сталь содержит менее 0,1% уг­лерода, то первая цифра ноль.

Буквы в маркировке указывают наличие соответствующих легирующих элементов, а цифры, следующие за буквами – процентное массовое содержание этих элементов в стали. Если за какой-либо буквой отсутствует цифра, то это значит, что сталь содержит драный элемент в количество до 1,5%.

Например, марка 35Х обозначает храмовую сталь о массовым содержанием углерода около 0,35% и Сr до 1,5%; марка 45Г – марганцевую сталь с массовым содер­жанием углерода около 0,49% и Mn около 2%, марка 38ХНЗМФА – сталь, содержащую 0,33-0,4% С; 1.2-1,6% Сr 3,0-3,5%Ni; 0,35-0?45% Мо; 0,1-0,18% V, а также 0,25-0,5% Мn, не указанного по маркировке.

 

Примерный химический состав можно определить из названий марок.

В зависимости от основных легирующих элементов сталь делит­ся на группы: хромистая, марганцовистая, хромомарганцевая, хромокремнистая, хромомолибденовая и хромомолибденованадиевая, хромованадиевая, никель-молибденовая и др.

Степень легирования конструкционной стали может быть разной. По этому признаку их делят на низколегированную и легированную.

Микролегирование, незначительно удорожая сталь, значительно повы­шает ее прочность, хладо-, коррозионно- и износостойкость по срав­нению с углеродистыми сталями, сохраняя ее пластично свойства и свариваемость.

Применяют низколегированную сталь для конструкций зданий и со­оружений, работающих в особо тяжелых условиях длительных и вибра­ционных нагрузок (балки металлургических и машиностроительных цехов, конструкции эстакад); для сварных конструкций мостов, труб боль­шого диаметра газопроводов, а также в авто-, тракторе-, судостроении и т.д.

Легированную сталь поставляют в слитках, в виде самых разно­образных профилей горячей и холодной прокатки, а также профилей, полученных и другими способами обработки давлением. Эту сталь при­меняют для изготовления наиболее ответственных деталей, узлов ме­ханизмов и машин. В связи с этим к ее качеству предъявляют весьма многосторонние и высокие требования. Из числа конструкционных ста­лей она отличается наибольшим количеством показателей. В ней нор­мирует: полный химический состав, механические свойства, макроструктуру, микроструктуру, величину зерен, прокаливаемость.

Конструкционную легированную сталь применяют в строительстве, разных отраслях промышленности, машиностроения, приборостроения и других видах промышленности.

Инструментальная легированная сталь. Одним из недостатков уг­леродистой инструментальной стали является ее пониженная прокали­ваемость - при закалке в среде с низкой охлаждающей способностью твердым получается только поверхностный слой, а сердцевина оста­ется мягкой. Если же применять чрезмерно быстро охлаждающую сре­ду, то на инструменте появляются трещины.

Повышенной прокаливаемостью обладают высокоуглеродистые (до 1,65% углерода) стали, в которые введены в разном количестве и разном сочетании друг с другом такие легирующие элементы, как хром, вольфрам, ванадий, молибден и некоторые другие. Эти стали обра­зуют группу легированных инструментальных сталей.

Легированные инструментальные стали поставляют согласно ГОСТ 5950-2000. Общее количество легирующих элементов в них может быть от 2 до 13%.

В зависимости от назначения и свойств эти стали делят на две группы и пять подгрупп:

1) стали для режущего и мерительного инструмента (а - неглубокий, о - глубокой прокаливаемости);

2) стали для штампового инструмента (а - для деформирования в хо­лодцом и б - в горячем состояниях, в - для ударного инструмента).

Для инструментальной легированной стали порядок маркировки по легирующим компонентам тот же, что и для конструкционных сталей, но содержание углерода указывается первой цифрой в десятых долях процента. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около 1% угле­рода.

Нормируемым показателями свойств инструментальных легирован­ных сталей являются: химический состав, твердость в состоянии дос­тавки и после закалки, макроструктура излома, микроструктура.

В процессе резания, особенно скоростного, инструмент сильно нагревается. Углеродистые инструментальные стали пригодны только для работы при температуре их разогрева до 180-200⁰С, легированные до 200-250⁰С. При этих температурах инструмент, изготовленный из них, быстро изнашивается, теряет острие, профиль роялей кромки. Если же температура инструмента повышается выше указанной, то их твердость резко снижается и они теряют режущие свойства.

Для скоростного ре­зания применяют быстрорежущую сталь.

Быстрорежущая сталь – это высоколегированные теплостойкие (красностойкие) стали, широко применяемые для изготовления режущих инструментов, работающих в условиях значительного силового нагружения. Свое название сталь получила потому, что изготовленный из нее инструмент может работать при высоких скоростях резания, не теряя своей твердости. Отличительной особенностью быстрорежущих сталей является высокая красностойкость (600-650⁰С) в сочетании с высокой твердостью, износостойкостью и повышенным сопротивлением пластической деформации.

Применение быстрорежущих сталей в качестве материала для режущих инструментов позволяет увеличить скорость резания в 2-4 раза, а стойкость инструмента в 10-40 раз, по сравнению с инструментальными низколегированными сталями.

Марки и химический состав быстрорежущей стали (ГОСТ 19265-73).

Высокие режущие свойства быстрорежущих сталей достигаются легированием их вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом.

Основным легирующим элементом, обеспечивающим красностойкость быстрорежущих сталей, является вольфрам. Для сокращения расхода дефицитного вольфрама быстрорежущую сталь легируют молибденом. Кроме того, красностойкость быстрорежущих сталей можно повысить путем увеличения содержания ванадия, и особенно кобальта. Все быстрорежущие стали содержат хром от 3 до 4,40%, который придает быстрорежущей стали повышенную прокаливаемость.

Быстрорежущие стали маркируют буквой P (rapid - быстрый, ско­рый), следующая за буквой Р цифра указывает среднее массовое содержание вольфрама в процентах (приложение 1). Содержание углерода и хро­ма во всех быстрорежущих сталях обычно составляет соответственно 1 и 4%, поэтому эти элементы не указываются. Содержание других легирующих элементов в целых процентах указывается как обычно в цифрах, следующих за их буквенным обозначением. В некоторых марках указы­вают только содержание вольфрама, например, Р18, хотя в сос­тав стали входят еще хром и ванадий.

В быстрорежущих сталях нормируемыми показателями являются: химический состав, макроструктура, проверяемая по излому, микро­структура (карбидная неоднородность), глубина обезуглероженного слоя и твердость в состоянии поставь (отожженная сталь) и после закалки с отпуском.

 

Легированная сталь специального назначения

К этой группе легированных сталей относят те стали, к которым предъявляют определенные требования по каким-либо специфическим свойствам, кроме сочетания достаточных прочности и пластичности, необходимого для любой конструкционной стали.

Необходимость таких требований возникает из-за условий эксплуатации различных метал­лических изделий.

Коррозионно-стойкие стали (ГОСТ 5632-72) применяют в большин­стве отраслей народного хозяйства. Отдельные стали этой группы обладают высокой коррозионной стойкостью не только на воздухе, но z в различных более агрессивных средах, например, в пресной и морс­кой воде, в различных кислотах и щелочах. При массовом содержании хрома 25-30% и углерода 0,1-0,2% сталь является окалиностойкой, способной выдержать длительные нагревы до температуры 1100⁰С без образования окалины.

Нормируемыми для этих сталей являются те же самые показатели качества, что и для конструкционной легированной стали. Дополни­тельно проводят испытания на склонность межкристаллитной коррозии в разных средах.

Жаростойкие стали (ГОСТ 5632-72) коррозионно-устойчивые при высокой температуре. Жаростойкость стали придают не только хром и никель, но также и такие дешевые элементы как кремний, алюминий. Поэтому, например, для деталей котельных установок, которые ра­ботают без воздействия больших внешних сил при температуре до 800°С, можно применять сталь с небольшим содержанием хрома, но о добавкой кремния и алюминия - Х6СЮ (1,2-1,8%Si, 0,7-1,1% Al).

Однако для работы при более высокой температуре приходится при­менять более дорогие стали, содержащие большие количества хрома ж никеля.

Требования к качеству жаростойких сталей те же, что и для коррозионностойких с той разницей, что определяют другую специаль­ную характеристику – окалиностойкость при различной температуре. Характеристика и применение жаростойких сталей и сплавов приведены в приложении 11.

Жаропрочные стали (ГОСТ 5632-72) сохраняют прочность при ра­боте в условиях высоких температур в течение длительного времени. Следует иметь в виду, что жаропрочные стали должны быть и жаро­стойкими, так как появление и тем более рост толщины слоя окали­ны на изделиях, изготовленных из них, по условиям их службы в большинстве случаев является недопустимым.

Легирующими элементами служат хром, никель, молибден, вольф­рам, кремний, ванадий, ниобий и другие.

При температурах 700-1000⁰С применяется жаропрочные сплавы на основе никеля, а более 1000⁰С - сплавы на основе тугоплавких металлов.

К жаропрочным сталям предъявляют высокие и многосторонние требования, как и к высоколегированным конструкционным сталям. Кро­ме того, для них дополнительно определяют характеристики спе­циальных свойств, а именно: предел длительной прочности при рва­ной температуре и длительности испытания. Марки и характеристика жаропрочных сталей и сплавов для работы при 900⁰С – 1100⁰С приведены в приложении 12.