ПРОМЫШЛЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Классификация сталей

Сталь принято классифицировать по трем основным характеристикам – назначению, составу и качеству.

1. Поназначению различают стали:

конструкционные, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали);

инструментальные, предназначенные для изготовления режущего и штампового инструмента.

2. Посоставу различают стали:

углеродистые (в зависимости от содержания углерода делятся на низко-, средне- и высокоуглеродистые – до 0,25, 0,3–0,55, 0,6% С и более соответственно);

легированные (в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов делятся на низко-, средне- и высоколегированные – до 2,5, от 3 до 10 и свыше 10% соответственно).

3. Покачеству (определяемому содержанием вредных примесей) различают стали:

обыкновенного качества, содержат не более 0,05% S, 0,04% P, 0,08% N, маркируются буквами Ст (например, БСт3, Ст5Гпс);

качественные, содержат не более 0,04% S и P и меньшее количество неметаллических включений (например, 30, 60Г, 25ХГМ, У8, 9ХС);

высококачественные, содержат не более 0,025% S и P, обозначаются буквой А в конце марки (например, 12Х2Н4А, У12А);

особо высококачественные, содержат не более 0,015% S и 0,025% P, обозначаются буквами в конце марки, стоящими через черточку и указывающими на способ выплавки: ВД – вакуумно-дуговой; ВИ – вакуумно-индукционный; П – плазменный; Ш – шлаковый; ЭЛ – электронно-лучевой (например, 45ХН2МФ-Ш).

Конструкционные стали и сплавы

Конструкционные стали и сплавы в зависимости от состава делят на следующие группы:

Углеродистые стали

а) Стали обыкновенного качества по ГОСТ 380–94 являются наиболее дешевыми; маркируются буквами Ст (Ст0, Ст1, … Ст6); цифра указывает на группу прочности – чем выше, тем больше предел прочности, что вызвано бóльшим содержанием углерода.

Стали обыкновенного качества подразделяются на три группы (обозначаемые буквами, которые могут стоять в самом начале марки):

А – с гарантированными механическими свойствами – не подвергается ТО у потребителя (буква А обычно не пишется, а подразумевается);

Б – с гарантированным химическим составом – требуется для успешной горячей обработки у потребителя;

В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом – обеспечивает качественную сварку у потребителя.

В конце марки указывается степень раскисления: сп – спокойная (не пишется, подразумевается); пс – полуспокойная; кп – кипящая. Спокойная сталь обладает самыми лучшими механическими свойствами и является более дорогой, так как требует наибольшего количества раскислителей. Например, самой распространенной сталью является Ст3 – сталь конструкционная, углеродистая, обыкновенного качества, 3-й группы прочности с гарантированными механическими свойствами, спокойная. Некоторые марки выпускаются с повышенным (до 0,8–1,1%) содержанием марганца, например БСт5Гпс.

Из сталей обыкновенного качества изготавливают горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки, которые широко используются в строительстве, мосто- и судостроении, для изготовления малонагруженных деталей машин и т. п.

б) Стали с повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные) по ГОСТ 1414–75 используются для изготовления деталей резанием на станках-автоматах (дают дробленную стружку в отличие от сливной стружки в виде винтовых пружинок, характерной для других сталей). Марка таких сталей начинается с буквы А (А12, А20, А40Г и др.), после которой идет цифра, указывающая на содержание углерода в сотых долях процента. Для повышения обрабатываемости резанием они имеют повышенное содержание серы (до 0,3%) и фосфора (до 0,15%) и/или включают в свой состав до 0,008% кальция (Ц), до 0,1% селена (Е), до 0,35% свинца (С) и другие элементы. Например, АЦ20 – сталь конструкционная, углеродистая, автоматная – кальцийсодержащая, имеющая в своем составе 0,20% С.

в) Литейные стали по ГОСТ 977–88 имеют повышенную жидкотекучесть благодаря повышенному содержанию серы (до 0,07%) и фосфора (до 0,09%). Марка этих сталей начинается с цифры, указывающей на среднее содержание углерода в сотых долях процента, и заканчивается буквой Л (15Л, 20Л, …, 55Л). Одной из самых распространенных для прочных отливок является марка 40Л – сталь конструкционная, углеродистая, литейная, содержащая 0,40% С.

г) Качественные стали по ГОСТ 1050–88 используются для изготовления более ответственных деталей в машиностроении и, как правило, подвергаются ТО. Маркируются цифрой, указывающей на среднее содержание углерода в сотых долях процента (05, 08, 10, 15, …, 85). Некоторые низкоуглеродистые стали выпускаются кипящими и полуспокойными (05кп, 20пс и т. д.), а средне- и высокоуглеродистые – с повышенным содержанием марганца (60Г, 70Г).

Низкоуглеродистые стали имеют сравнительно небольшую прочность (σ_в = 330…460 МПа) и высокую пластичность (δ = 33…23%), хорошо штампуются и свариваются, часто используются без ТО. Сталь марок 05, 08, 10 обычно используется для листовой штамповки; а марок 10, 15, 20, 25 –подвергается упрочнению за счет цементации и других видов ХТО.

Среднеуглеродистые стали марок 30, 35, …, 55 обладают лучшим сочетанием прочностных и пластических свойств (σ_в = 500…610 МПа, δ = 21…16%); применяются после нормализации, улучшения или поверхностной закалки для изготовления ответственных деталей во всех отраслях машиностроения (валы, шестерни, шатуны и т. п.). Сталь 50ПП имеет пониженную прокаливаемость и используется для изготовления шестерен и других деталей, работающих при динамических нагрузках.

Высокоуглеродистые стали обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; их применяют после закалки и отпуска, нормализации и отпуска или поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при высоких статических и динамических нагрузках (крупные пружины, рессоры, шпиндели, прокатные валки и др.). Более высокой упругостью обладают стали с повышенным содержанием марганца (60Г, 65Г, 70Г), подвергнутые закалке и среднему отпуску на структуру троостита. Сталь марок 75, 80, 85 используется для изготовлении пружинной проволоки и канатов.

Легированные стали

Легированные стали выпускаются только качественные, высококачественные и особо высококачественные и, как правило, подвергаются ТО для выявления заложенных в них резервов повышения механических и физических свойств.

Для обозначения легирующих элементов используются следующие буквы: А – азот (но только в середине марки), Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, Р – бор (но не в начале марки), С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий.

Марка конструкционной стали обычно начинается с двухзначного числа, указывающего на содержание углерода в сотых долях процента. Дальше идет сочетание букв и цифр; цифра после буквы указывает на содержание данного элемента в процентах. Если после буквы цифры нет, то содержание этого элемента обычно не превышает 1,0–1,5% (для B, Сu, N, Nb, Ti, V, Zr это тысячные – сотые доли процента). Например, 18Х2Н4ВА – сталь конструкционная, среднелегированная, высококачественная, содержащая 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля и до 1,5% вольфрама.

Отдельные группы легированных сталей имеют специальную маркировку. Шарикоподшипниковые стали обозначаются буквой Ш, и содержание хрома в них указывается в десятых долях процента, например, ШХ15 – сталь шарикоподшипниковая, низколегированная, качественная, содержит 1,5% Cr. В экспериментальных, так называемых исследовательских и пробных сталях, получаемых электроплавкой, после соответствующих букв указывается порядковый номер разработки, например, ЭИ 415, ЭП 716.

Легированные стали широко применяются в различных отраслях промышленности.

Низкоуглеродистые легированные стали используются в строительстве (09Г2, 15ХСНД, 20Х2Г2СР и т. п.), а также в цементованном виде в машиностроении (15Х, 18Х2Н4МА, 25ХГМ и др.).

Легированные стали с повышенной обрабатываемостью резанием (АС12ХН, А40ХЕ, АЦ20ХН3 и др.) обладают лучшими механическими свойствами и надежностью, чем углеродистые.

Литейные легированные стали (27ГЛ, 35НГВЛ, 40ХЛ и др.), как правило, подвергаются нормализации и отпуску или закалке и отпуску и используются в машиностроении для изготовления высоконагруженных крупных деталей сложной формы.

Среднеуглеродистые легированные стали (40Х, 40ХНМА, 38ХН3МА и др.), как правило, подвергаются улучшению и используются в машиностроении для изготовления ответственных деталей, работающих при циклических и ударных нагрузках (валы, оси, шатуны).

Рессорно-пружинные легированные стали (50С2, 60С2ХФА, 60С2Н2А и др.) более прочны и надежны, чем углеродистые.

Высокопрочные стали и сплавы типа 30ХГСНА, 03Н18К9М5Т, 30Х9Н8М4Г2С2 после соответствующей ТО приобретают σ_в = 1800…2100 МПа, δ = 20…8% и используются для изготовления высоконагруженных деталей авиационной и ракетной техники.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали, как правило, содержат не менее 13% хрома, а также могут содержать никель и другие элементы (13Х13, 08Х18Н10, 10Х17Н13М2Т и т. д.). С целью получения однофазной структуры, обладающей повышенной коррозионной стойкостью, высокохромистые стали (более 17% Cr) подвергают закалке.

Жаростойкие стали, обладающие окалиностойкостью до 700–1300°С, содержат большое количество хрома (до 30%), алюминий, кремний и другие элементы, образующие тугоплавкие окислы (08Х17Т, 20Х23Н18, 20Х25Н20С2 и т. п.). Применяются для изготовления деталей печей, газовых турбин и т. п.

Жаропрочные стали и сплавы на никелевой основе сохраняют свою прочность до 450–1200°С (12Х1МФ, 15Х5М, 45Х14Н14В2М, ХН77ТЮР
и т. п.). Применяются для изготовления нагруженных деталей двигателей, газовых турбин и т. п.