КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

5.2.1 Классификация и маркировка сталей

Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа и углерода.

Углеродистая сталь – сложный по химическому составу сплав железа Fe с углеродом C и другими постоянными примесями: марганца Mn, кремния Si, серы S и фосфора P, которые оказывают влияние на ее свойства. Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами (в процентах): С – до 2,14; Mn – до 0,8; Si – до 0,5; Р – до 0,07 и S – до 0,06.

Все стали классифицируют по следующим основным признакам.

По химическому составу – углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3…0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С). По количеству введенных элементов легированные стали разделяют на низколегированные с суммарным содержанием легирующих элементов до 5 %, среднелегированные – 5…10 % и высоколегированные – не более 10 %. По качеству стали делят на стали обыкновенного качества – содержание S до 0,060 % и Р до 0,070 %, качественные – не более 0,040 % S и 0,035 % Р, высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные – не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

По степени раскисления стали подразделяют на спокойные (сп), раскисленные полностью (марганцем, кремнием и алюминием); кипящие (кп), раскисленные не полностью (только марганцем); полуспокойные (пс), занимающие промежуточное положение между спокойными и кипящими (раскисленные марганцем и кремнием).

По назначению стали классифицируют как конструкционные, инструментальные и стали со специальными физико-химическими свойствами.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества наиболее дешевые. Их выпускают в виде различного проката. Маркируют их сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Чем больше цифра в марке стали, тем больше содержится в стали углерода, выше ее прочность и твердость, но ниже пластичность и вязкость. Степень раскисления обозначается добавлением в конце марки соответствующего индекса: сп, кп или пс. В марке спокойной стали такой индекс может отсутствовать. Например, несколько марок сталей: Ст0, Ст3кп, Ст4сп, Ст5пс.

Углеродистые конструкционные качественные стали маркируются двухзначными числами: 05, 08, 10, 15, 20…85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 – 0,45 % С и т. д.

Углеродистые инструментальные стали производят качественными: У7, У8, У9…У13 и высококачественными: У7А, У8А…У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а число – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А указывает, что сталь высококачественная.

К углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7…1,2 %), например, стали марок Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс, 15Г, 20Г, 25Г, …, 70Г.

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих их химический состав. Принято обозначать: хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В, титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, ниобий – Б, бор – Р, кобальт – К, цирконий – Ц, фосфор – П, редкоземельные металлы – Ч, азот – А. Цифры, стоящие после буквы, указывают на примерное содержание легирующего элемента в целых процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента около 1,0 %. При этом в начале марки легированной конструкционной стали стоят две цифры, указывающие на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХН3 в среднем содержит 0,20 % С, 1 % Cr , 3 % Ni. Если сталь содержит менее 0,1 % углерода, то первой цифрой марки будет ноль, например, 08Г2С (содержит 0,08 % С).

В марке легированной инструментальной стали на первом месте стоит цифра, указывающая на содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь 5ХНТ содержит 0,5 % С. Если на первом месте цифра отсутствует, то сталь содержит около 1 % углерода, например, сталь ХВГ содержит 0,9…1,0 % С.

По качеству легированные стали бывают качественные, высококачественные и особовысококачественные. То, что сталь высококачественная, означает буква А в конце марки, особовысококачественная – буква Ш в конце марки, например: 20ХН3А – сталь высококачественная, 30ХГСШ – особовысококачественная.

Назначение легированных сталей определяется их химическим составом.

Конструкционные легированные стали содержат углерода примерно до 0,45…0,50 % (например, стали 40Х, 45Х2Н2МА, 50ХН). Инструментальные легированные стали характеризуются большим содержанием углерода (например, стали 6ХВ2С, 9ХС, ХВГ). В то же время инструментальные стали, легированные такими элементами, как вольфрам, ванадий, молибден, могут содержать и меньшее количество углерода (например, стали 3Х2В8Ф, 4ХВ2С, 4Х2В5ФМ, 5ХГМ).

Легированные стали со специальными физико-химическими свойствами составляют особенную группу сталей. Это, в большинстве, стали средне- и высоколегированные. К ним относятся, например, рессорно-пружинные стали, имеющие высокий модуль упругости, (50С2, 60С2, 65Г, 70С3А, 50ХФА, 60С2Н2А); жаростойкие и жаропрочные стали, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах (12ХМ, 12ХМФ, 15Х5ВФ, 10Х12В2МФ, 10Х18Н10Т, 08Х14Н16Б); коррозионностойкие или нержавеющие стали, стойкие против действия внешней среды (08Х13, 40Х13, 12Х17, 15Х28, 12Х18Н8); износостойкие стали (ШХ15, 30Х10Г10, 110Г13Л).

Более полные сведения о специальных сталях, их назначении и свойствах приведены в учебниках по металловедению и в соответствующих стандартах.

Марки некоторых групп углеродистых и легированных сталей имеют свои особенности, указывающие на принадлежность к этой группе.

Так, быстрорежущие инструментальные стали обозначаются буквой Р (рапид – скорость) в начале марки. Цифры после буквы Р указывают на содержание основного легирующего элемента – вольфрама в целых процентах. Кроме того, в состав быстрорежущих сталей входит 4,5 % хрома и 2,5 % ванадия, которые в марке не обозначаются. При более высоком содержании ванадия его среднее количество обозначается в марке. Например, сталь Р6М5 содержит 0,85…0,95 % С, 5,5…6,5 % W, 3,0…3,6 % Mo, 3,0…3,6 % Cr, 2,0…2,5 % V, а сталь Р9Ф5 – 1,4…1,5 % C, 9,0…10,5 % W, 4,5…5,1 % V, 3,8…4,4 % Cr.

Марка подшипниковых сталей начинается с буквы Ш, дальше идут буква Х (хром), цифры, указывающие на содержание хрома в десятых долях процента. Например, стали марок ШХ6, ШХ9, ШХ15 содержат более 1 % С и, соответственно, 0,6; 0,9; 1,5 % Cr. Эти стали дополнительно могут быть легированы кремнием до 0,85 % и марганцем – до 1,7 % (например, стали ШХ15ГС, ШХ20ГС).

Автоматные стали с увеличенным содержанием серы и фосфора дополнительно легируются свинцом (0,15…0,35 %) – обозначается в марке буквой С, селеном (0,08…0,30 %) – Е, кальцием (0,002…0,008 %) – Ц. Они имеют особенно хорошую обрабатываемость резанием, поэтому применяются для обработки на станках-автоматах. В начале марки этих сталей ставится буква А, после которой записывается двухзначное число, показывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: А12, АС14, АЦ30ХН, А35Е.

Литейные стали для получения фасонных отливок маркируются двухзначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. После числа ставится буква Л. Легированные литейные стали маркируются соответственно общепринятой системе, а в конце марки ставится буква Л. Для определения степени ответственности отливок в марке литейных сталей, как правило, после буквы Л через дефис записывается цифра І, ІІ или ІІІ: І – отливки общего назначения; ІІ – ответственного назначения; ІІІ – особо ответственного назначения. Например: 30Л-І, 35ХМЛ-ІІ, 110Г13Л-ІІІ.

5.2.2 Маркировка чугунов

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С. Постоянных примесей в них также больше, чем в сталях.

В зависимости от того, в каком состоянии присутствует углерод в сплавах, различают белые и серые чугуны. Название белых и серых чугунов определяется цветом излома. В белых чугунах основная часть углерода находится в виде химического соединения (цементита). Они очень твердые и хрупкие, поэтому как конструкционный материал не применяются. В серых чугунах основная часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита (графитных включений). Серые чугуны используются для изготовления фасонных отливок. Они делятся на серые обыкновенные, ковкие и высокопрочные. Серые обыкновенные, ковкие и высокопрочные чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

Серыми обыкновенными называют чугуны с пластинчатой формой графита. При маркировке обозначаются буквами СЧ и двузначным числом, показывающим наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз. Например: СЧ15 (s_в ³ 150 МПа), СЧ25 (s_в ³ 250 МПа).

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Принцип маркировки высокопрочных чугунов тот же, что и серых обыкновенных. Например: ВЧ38 (s_в ³ 380 МПа).

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Маркируют ковкие чугуны двумя буквами КЧ и двумя цифрами, разделенными тире: первое число показывает наименьшее допустимое значение предела прочности на растяжение (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз, а второе – относительное удлинение (в процентах). Например, КЧ30-6 (s_в ³ 300 МПа, d ³ 6 %).

5.2.3 Маркировка меди и ее сплавов

Техническая медь маркируется буквой М и числом. Например, М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М1 (99,9 % Cu), М2 (99,7 % Cu), М3 (99,5 % Cu), М4 (99,0 % Cu).

В состав медных сплавов могут входить: цинк – Ц, алюминий – А, марганец – Мц, кремний – К, железо – Ж, фосфор – Ф, никель – Н, свинец – С, олово – О, бериллий – Б.

Латунями называют сплавы меди с цинком. Они бывают двух- и многокомпонентными. Подразделяют латуни на литейные и деформируемые.

Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ. Дальше идет число, которое указывает на содержание цинка в процентах, затем буквы и числа, указывающие на состав и содержание компонентов. Например: ЛЦ40С2 (40 % Zn, 2 % Pb, остальное Cu), ЛЦ23А6Ж3Мц2 (23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, остальное – Cu).

При маркировке деформируемых латуней после буквы Л идет число, указывающее содержание меди в целых процентах, потом буквы – индексы компонентов, входящих в состав сплава, и далее через дефис – числа, указывающие их количество в процентах. Например: Л96 (96 % Сu, 4 % Zn), ЛАЖ60-І-І (60 % Cu, 1 % Al, 1 % Fe, остальное – Zn).

Бронзы – сплавы меди с другими элементами. Разделяются на оловянные и безоловянные, деформируемые и литейные. Бронзы маркируют так же, как и латуни, только индекс Л заменяют индексом Бр. Например: БрОЦС4-4-2,5 (4 % Sn, 4 % Zn, 2,5 % Pb, остальное – Cu) – деформируемая бронза.

В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу после буквы, которая определяет его название. Например: Бр06Ц6С3 (6 % Sn, 6 % Zn, 3 % Pb).

5.2.4 Маркировка алюминия и его сплавов

В зависимости от содержания примесей алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты – А999 (999,99 % Аl), высокой чистоты – А995, А99, А97, А95 и технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, А0. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления заготовок на деформируемые и литейные.

Алюминиевые деформируемые сплавы при маркировке записывают буквами и цифрами. Например: АМц, АМг2, Д1, В95, АК6. Числа указывают на номер сплава. Химический состав и механические свойства указываются в справочной литературе.

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ (алюминиевые литейные), далее идут числа, которые указывают на номер сплава. Например: АЛ2, АЛ4, АЛ9 и т. д. Химический состав и механические свойства также указываются в справочной литературе.

5.2.5 Маркировка магния и его сплавов

В зависимости от содержания примесей установлены такие марки магния: Мг96 (99,92 % Mg), Мг95 (99,82 % Mg). Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы маркируются буквами МА и числом, которое указывает на порядковый номер. Например: МА5, МА11, МА14, МА19.

Литейные магниевые сплавы обозначаются буквами МЛ и числом – порядковым номером сплава. Например: МЛ5, МЛ8, МЛ10.

5.2.6 Маркировка титана и его сплавов

Технический титан изготавливается следующих марок: ВТ1-00 (99,53 % Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti), ВТ1-1 (99,44 % Ti). Титановые сплавы маркируются буквами ВТ и ОТ и числами, указывающими на номер сплава. Например: ВТ5, ВТ5-1,ОТ4, ОТ4-1, ВТ14, ВТ22. При этом состав и свойства сплавов приведены в справочной литературе.

5.2.7 Маркировка металлокерамических твердых сплавов

К ним относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных металлической связкой. В зависимости от состава карбидной основы, спеченные твердые сплавы выпускают трех групп.

Первую (вольфрамовую) группу составляют сплавы системы WС – Co. Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например: ВК6 (94 % WС, 6 % Co). Вторую группу (титановольфрамовую) образуют сплавы системы TiС-WС-Co. Они маркируются буквами ТК и цифрами, показывающими содержание (в процентах) карбида титана и кобальта. Например: Т30К4 (30 % TiС, 4 % Co, 66 % WС).

Третью группу (титанотанталовольфрамовую) образуют сплавы системы TiС – ТаС – WС – Co. Они маркируются буквами ТТК и цифрами. Цифра и марка после букв ТТ обозначают суммарное содержание (в процентах) карбидов TiС + ТаС, а после буквы К – количество кобальта. Например: ТТ8К6 (TiС + ТаС = 8 %, 6 % Со, 84 % WС).

5.3 Результаты работы

Работа носит практический характер и заключается в умении на основании анализа марки конструкционного материала привести его характеристику (по признакам классификации, химическому составу, способу изготовления заготовок, механическим свойствам) без использования справочника.

Примеры такого анализа представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

В таблице 5.2 приведены варианты ряда конструкционных материалов для самостоятельного овладения навыками анализа марок материалов. Они могут быть использованы на практических занятиях при освоении теоретического материала, представленного в общих указаниях.

Изучить систему маркировки и классификации конструкционных металлических материалов, получить практические навыки приобретения необходимой технической информации о свойствах и применении конструкционных материалов на основании анализа их марок.

Таблица 5.2