Классификация и маркировка сталей

 

Стали классифицируются по множеству признаков:

по химическому составу (углеродистые и легированные);

по массовой доле углерода (низкоуглеродистые, с массовой долей углерода до 0,25 %; среднеуглеродистые, с массовой долей 0,3 – 0,6 %; высокоуглеродистые, с массовой долей углерода выше 0,7 %);

по равновесной структуре (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные);

по качеству (количественным показателем качества является массовая доля  вредных  примесей – серы  и  фосфора, %: 0,04 ≤ S ≤ 0,06; 0,04 ≤ Р ≤ 0,08 – углеродистые стали обыкновенного качества; P, S =0,03…0,04 – качественные стали; P, S ≤ 0,025 – высококачественные стали; особовысококачественные стали получают путем применения специальных металлургических технологий, позволяющих снизить массовую долю S до 0,002…0,008);

по способу выплавки (в мартеновских печах, в кислородных конверторах, в электрических печах – электродуговых, индукционных и др.):

по назначению (конструкционные – общетехнического назначения, применяются для изготовления деталей машин и механизмов; инструментальные, применяются для изготовления различных инструментов; специальные – стали и сплавы с особыми свойствами – нержавеющие, жаропрочные и термоустойчивые, износоустойчивые электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.).

К конструкционным относятся строительные и машиностроительные стали. Строительные стали – это стали обыкновенного качества. Их используют для изготовления сварных, клепаных и болтовых конструкций, применяют эти стали без упрочняющей термической обработки.

Машиностроительные стали – это углеродистые и легированные стали, с массовой долей углерода от 0,08…0,10 до 0,70 %. Ма-шиностроительные стали предназначены для изготовления различных деталей машин и механизмов. Они классифицируются:

по химическому составу (углеродистые и легированные);

по обработке (цементованные, улучшаемые);

по назначению (пружинные, шарикоподшипниковые).

Цементованные стали. Это углеродистые и легированные ста-ли с массовой долей углерода до 0,3 %. Для них основным способом упрочнения является цементация или нитроцементация.

Улучшаемые стали – это углеродистые и легированные стали с массовой долей углерода 0,3−0,55 %, основным способом упрочнения для них является улучшение (закалка и высокий отпуск). Принято буквенно-цифровое обозначение сталей.

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-2005). В стали с массовой долей углерода от 0,3−0,55 % повышенная массовая доля серы и фосфора.

Маркируются Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп. Ст – индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 – это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А,Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав. Индексы кп, пс, сп указывают степень раскислен-ности стали: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная.

Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050-88. Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности в основном спокойная. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной. Маркируются цифрами, указывающими среднюю массовую долю углерода. В машиностроении используются следующие марки сталей: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70. Для каждой марки стали установлены пределы массовой доли углерода, например, в стали 40 доля углерода 0,37 – 0,42 %.

Все углеродистые качественные конструкционные стали условно разделяют на группы:

– углеродистые качественные стали марок 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп имеют невысокую прочность (σ_в=330…420 МПа, σ_0,2=190…250 МПа), но достаточную пластичность (δ=33 – 25 %, ψ=60 – 55 %) и хорошую свариваемость – это определяет их исполь-зование для малонагруженных деталей машин и элементов конструкций, изготавливаемых сваркой, ковкой, штамповкой и др.;

– стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, имеют более высокую прочность (σ_в=460…610 МПа, σ_0,2=280…360 МПа) и пониженную пластичность (δ=23 – 16 %, ψ=50 – 40 %), хорошо свариваются и обрабатываются резанием – они используются для изготовления деталей машин (без термообработки) и для деталей с повышенной износостойкостью (после цементации и соответствующей термической обработки), не подвергающихся высоким нагрузкам (например, цементированные детали кулачковые валы, кронштейны, пальцы рессор и др.);

– среднеуглеродистые стали марок 30, 35, 40, 45, 50, 55, подвергающихся термической обработке. Имеют высокую прочность (σ_в=640…730 МПа, σ_0,2=380…430 МПа) и удовлетворительную пластичность (δ=14 – 9 %, ψ=50 – 40 %), эти стали хорошо обрабатываются резанием после отжига. Хорошие сочетания прочностных и пластических характеристик позволяет применять их при изготовлении ответственных деталей (шпиндели, распределительные валы и др.);

– высокоуглеродистые стали марок 60, 65, 70, 75, 50, 85 подвергаются различным видам термической обработки, в результате они имеют высокие значения прочности, изностойкости и упругости (пружины, рессоры, прокатные валки);

– конструкционные углеродистые литейные стали, используемые для изготовления отливок, маркируются по ГОСТ 977–88 – сталь 30Л, 30 – массовая доля углерода 0,3 %, Л – литейная сталь.

Углеродистые инструментальные стали могут быть качественными (сталь У8, сталь У13 – массовая доля углерода соответственно 0,8 и 1,3 %) и высококачественные (У7А, У8А, У9А, …, У13А). Маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим массовую долю углерода, в конце марки ставят букву А для обозначения высокого качества стали. Для режущего инструмента (фрезы, зенкера, сверла, спиральные пилы, шаберы, ножовки, хирургический инструмент) обычно используют заэвтектоидные стали (У10,…, У13), структура которых после термической обработки  состоит из мартенсита и карбидов.

Качественные и высококачественные легированные стали. Обозначение буквенно-цифровое. Легирующие элементы имеют условные обозначения, обозначаются буквами русского алфавита: Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот (указывается в середине марки), Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Ю – алюминий. Буква А, стоящая в конце обозначения марки, так же как и для углеродистых сталей, указывает на то, что сталь является высококачественной. Если буква А стоит в середине обозначения марки, то она указывает на присутствие в стали азота в качестве легирующего элемента.

Легированные конструкционные стали. Сталь 15Х25Н19ВС2. В начале марки указывается двухзначное число, показывающее массовую долю углерода. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его долю в процентах, если число не стоит, то массовая доля элемента не превышает 1,5%. В указанной марке стали массовая доля углерода – 0,15 %, хрома – 35 %, никеля – 19 %, вольфрама до 1,5 %, до кремния 2 %. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки ставится символ А.

Легированные инструментальные стали. Сталь 9ХС, сталь ХВГ. В начале марки указывается однозначное число, показывающее массовую долю углерода. При доле углерода более 1 % число не указывается, далее перечисляются легирующие элементы с указанием их массовой доли. Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

Быстрорежущие инструментальные стали. Сталь Р18. Р – индекс данной группы сталей (от rapid – скорость). Массовая доля углерода более 1%. Число показывает массовую долю основного легирующего элемента – вольфрама. В указанной стали доля вольфрама – 18 %. Если стали содержат легирующие элементы, то их массовая доля указывается после обозначения соответствующего элемента.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления рессор, пружин и других упругих элементов. К ним относятся углеродистые стали марок 65, 70, 75, марганцовистые стали 60Г, 65Г, хромомаргенцовистые стали 50ХГА, хромованадиевые 50ХФА, 50ХГФА стали.

Пружины, рессоры и другие упругие элементы являются важнейшими деталями различных машин и механизмов. В работе они испытывают многократные переменные нагрузки. Под действием нагрузки пружины и рессоры упруго деформируются, а после прекращения действия нагрузки восстанавливают свою первоначальную форму и размеры. Особенностью работы является то, что при значительных статических и ударных нагрузках они должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается. Основные требования к пружинным сталям – обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, стойкости к релаксации напряжений.

Пружины работают в области упругих деформаций, когда между действующим напряжением и деформацией наблюдается пропорциональность. При длительной работе пропорциональность нарушается из-за перехода части энергии упругой деформации в энергию пластической деформации. Напряжения при этом снижаются. Самопроизвольное снижение напряжений при постоянной суммарной деформации называется релаксацией напряжений. Релаксация приводит к снижению упругости и надежности работы пружин.

Для упрочнения пружинных углеродистых сталей применяют холодную пластическую деформацию посредством дробеструйной и гидроабразивной обработок, в процессе которых в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия. Повышенные значения предела упругости получают после закалки со средним отпуском при температуре 400−480 С.

Для сталей, используемых для пружин, необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость, чтобы получить структуру троостита по всей площади сечения. Упругие и прочностные свойства пружинных сталей достигаются при изотермической закалке. Пружинные стали легируют элементами, которые повышают предел упругости – кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором.

В целях повышения усталостной прочности не допускается обезуглероживание при нагреве под закалку и требуется высокое качество поверхности.

Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенитно-мартенситных (09Х15Н8Ю), быстрорежущих (Р18) и других сталей и сплавов.

Шарикоподшипниковые стали. Предназначены для изготов-ления деталей подшипников качения (колец, шариков, роликов). Рабочие поверхности этих деталей работают в условиях знакопеременных нагрузок, испытывают высокие контактные напряжения. Эти стали обладают высокой твердостью (62…66 HRC), которая достигается при высокой массовой доле углерода – около 1 %.

Сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС. Ш – индекс данной группы сталей, Х – указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает массовую долю хрома в указанных сталях (0,6 и 1,5 %). Также указываются входящие с состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1 %. При этом несмотря на весьма малую долю вредных примесей буква А в конце марки не ставится.

Автоматные стали – это стали повышенной обрабатываемости резанием. Хорошая обрабатываемость резанием достигается за счет повышенной массовой доли в них серы (до 0,08 – 0,35 %) и фосфора (0,06 – 0,15 %). Наличие сульфидов способствует образованию при резании стружки надлома и получению низкой шероховатости обработанной поверхности, также оказывает смазывающее действие, уменьшая трение между обрабатываемой поверхностью, стружкой и инструментом, что повышает стойкость режущего инструмента. Однако наличие серы и фосфора в повышенных долях снижает вязкость и пластичность сталей, они имеют пониженную прочность и склонны к хрупкому разрушению. Улучшение обрабатываемости сталей резанием достигается введением в них свинца (0,15 – 0,30 %), селена (0,04 – 0,10 %) и кальция, при этом механические свойства сохраняются достаточно высокими. Обозначаются автоматные стали буквой А, которая ставится в начале марки, и цифрами, показывающими среднее значение доли углерода.

Сталь А12 – автоматная сталь, средняя массовая доля углерода – 0,12 %. А40Г – автоматная сталь, средняя массовая доля углерода – 0,40 %, если массовая доля марганца более 1 %, то обозначается буквой Г, свинец – буквой С, селен – буквой Е.

Кальцийсодержащие стали обозначаются буквами АЦ, например АЦ40. Они обладают высокой обрабатываемостью и лишены недостатков автоматных сталей с повышенной массовой долей вредных примесей (S, P).