Розділ 4. Залізовуглецеві сплави. Діаграми стану залізо-цементит, залізо-графіт. Класифікація, маркування і застосування сталей
Принципи класифікації та маркування сталей.
Структура, властивості та застосування чавунів.
Принципи класифікації та маркування сталей.
Стали класифікують за хімічним coставу, способу виплавки або ступеня розкислення, за структурою в отожженном або нормалізованому стані, по якості і по призначенню.
За хімічним складом перш за все всі залізовуглецевих сплави можна розділити на дві великі групи: вуглецеві і леговані. За концентрації вуглецю в сталях вони поділяються на низько- (менше 0,3%), середньо- (0,3 - 0,7%) і високовуглецеві (більше 0,7%). Вуглецеві сплави не містять спеціально введених легуючих елементів. Їх кількість повинна визначатися межами, регламентованими для домішок відповідними нормативами і гостей.
Леговані стали - це сплави на основі заліза, до складу яких спеціально введені хімічні елементи, що забезпечують йому необхідну структуру і властивості. У свою чергу леговані стали в залежності від числа легуючих добавок ділять на одно- і багатокомпонентні. Більш вживаним є назва із зазначенням легуючих елементів, наприклад стали хромисті, хромонікелеві, хромонікельмолібденових і ін.
Зазвичай концентрація легуючих добавок більше, ніж кількість цих же елементів у вигляді домішок. За ступенем легування, т. Е. За змістом спеціально введених добавок сплави умовно поділяють на низько-, середньо-і високолеговані. Кількість цих елементів в загальному становить 2,5 - 5,0%; до 10% і більше 10% відповідно.
Поняття спеціальні стали ширше, ніж леговані сплави, так як до перших, крім легованих можуть ставитися і вуглецеві, яким надано спеціальні властивості за допомогою певних способів виробництва і обробки.
Під якістю розуміється сукупність властивостей, які визначаються металургійним процесом виробництва. Однорідність хімскладу, будови і властивостей стали, а також її технологічність багато в чому залежать від змісту таких газів, як кисень, азот і водень.
Позначення марок - буквено-цифрове.
Так вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості (ГОСТ 380-88) маркують буквено-цифровим кодом і по гарантії властивостей при поставці поділяють на три групи: А, Б і В. Букви Ст означають сталь, цифри від 0 до 6 - умовний номер марки, наприклад Ст0, Ст2 і т. д.
Група А - сплави, що поставляються з гарантією механічних властивостей, хімічний склад їх не регламентується, його тільки вказують в сертифікатах металургійного заводу-виготовлювача. Вони застосовуються для виготовлення деталей механічною обробкою.
Стали типу Б поставляють з гарантією за хімічним складом, так як вони в подальшому зазвичай піддаються різній обробці з метою отримання потрібного замовнику комплексу механічних властивостей, а саме приготування гарячих страв тиском і ТО.
Сплави групи В поставляються з гарантією спільно з хімічним складом і механічними властивостями - за нормами для сталей груп А і Б. Їх вживають у виробництві зварних конструкцій.
Ступінь розкисленням, позначають буквами кп - киплячі, пс - напівспокійну і сп - спокійні. Киплять є стали марки Ст0 - Ст4, напівспокійних і спокійними можуть виплавлятися все марки від Ст1 до Ст6.
При маркуванні вказують тільки групи Б і В, наприклад Ст2кп або ВСтЗпс, що означає сталь 2, групи А, що кипить або сталь 3, групи В, полуспокойная і т. П.
У сталі, легованої азотом, букву А ставлять в середині позначення марки, наприклад 15X17ATI4, якщо ж вона поставлена в кінці марки, це говорить про те, що сплав високоякісний - 30ХГСА. Буква А, що знаходиться на початку марки, вказує, що сталь автоматна, підвищеної оброблюваності, наприклад, А35Г2.
Нестандартні сплави позначають різним чином. Найбільш часто зустрічається позначення літерами ЕІ і ЕП і номером. Таке маркування показує, що сталь виплавлено на заводі «Електросталь» (буква Е), дослідницька (буква І) або пробна (літера П), наприклад ЕІ395, ЕП398 і т. П.
Особовисококачественная є тільки леговані залізовуглецевих сплави. Вони містять не більше 0,015% сірки і 0,025% фосфору. До них висувають високі вимоги і за змістом інших домішок.
1) Конструкційні вуглецеві сталі. На частку вуглецевих сталей припадає 80% від загального обсягу виробництва сталі. Ці стали дешеві і поєднують задовільні механічні властивості з хорошою оброблюваністю різанням і тиском. Недоліки: менш технологічні при термічній обробці. Через високу критичної швидкості гарту вуглецеві стали охолоджують у воді, що викликає деформацію і викривлення деталей. Крім того, для отримання однакової міцності з легованими сталями, їх слід піддавати відпустці при більш низькій температурі, тому вони зберігають вищі гартівні напруги, що знижують конструкційну міцність. Головний недолік: невелика прокаліваемость (тобто здатність гартуватися на певну глибину). Тому великі деталі виготовляють без термічного зміцнення - в гарячекатані або нормалізованому стані. За статичної міцності вони відносяться до сталей нормальної міцності.
Вуглецеві сталі звичайної якості (загального призначення) всіх трьох груп (А, Б, В) призначені для виготовлення різних будівельних металоконструкцій (зварні ферми, рами), а так само слабонавантажених деталей машин і приладів (вали, осі, зубчасті колеса). Це гарячекатана сталь, яка надходить з металургійних заводів у вигляді прокату (прутки, балки, листи, труби, стрічки і т.д.). Найбільш поширена сталь Ст3сп має наступні характеристики: # 963; в = 380-490 МПа # 963; 0,2 = 210-250 МПа, # 948; = 25-22%
Киплячі стали Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, що містять підвищену кількість кисню, мають порігхладноломкості на 30-40 о С вище, ніж стали спокійні (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп і ін.):
Ст3кп - порігхладноломкості t50 = -10 о С
Тому для відповідальних зварних конструкцій, а так само для суворих кліматичних умов застосовуються спокійні стали.
Вуглецеві якісні стали. Ці стали виплавляють з дотриманням більш строгих умов щодо складу шихти і ведення плавки. Вони поставляються у вигляді прокату, поковок і інших напівфабрикатів з гарантованим хім. складом і механічними властивостями.
- Низьковуглецевих сталі підрозділяють на 2 групи
1) 05, 08, 10 - маломіцні, високопластична # 963; в = 280-330 МПа # 948; = 33-45%
Вони здатні до глибокої витяжки, тому їх застосовують для холодного штампування різних виробів. Якщо вуглецю більше 0,1% можливі тільки незначна витяжка або гнучка. Найчастіше для глибокої витяжки використовують сталь 08кп (деталі кузова автомобілів, корпус приладів і ін.). Киплячі легше штампуються, тому що в них майже немає кремнію, який сильно зміцнює ферит і ускладнює його деформованість.
2) цементуемие стали 15, 20, 25 - призначені для деталей невеликого розміру (кулачки, штовхачі, малонавантажених шестерні та ін.), Від яких потрібно тверда зносостійка поверхня і в'язка серцевина. Поверхня після цементації (насичення поверхні вуглецем) упрочняют загартуванням у воді в поєднанні з низьким відпусткою. Ці стали застосовують так само гарячекатаний і після нормалізації. Вони пластичні. добре штампуються і зварюються. Характеристики: # 963; в = 380-460 МПа # 948; = 27-23%.
Середньовуглецеві стали (покращувані) - 30, 35, 40, 45, 50, 55. Вони міцніші, але менш пластичні. Після поліпшення (тобто гарт + високий відпустку на сорбіт) досягається висока міцність, в'язкість і пластичність:
# 963; в = 500-600 МПа # 963; 0,2 = 300-360 МПа # 948; = 21-16% (в нормалізованому стані)
# 963; в = 600-700 МПа # 963; 0,2 = 400-600 МПа # 948; = 19-20% (після поліпшення).
Стали цієї групи застосовують для виготовлення деталей невеликого розміру (зубчасті колеса, маховики, осі)
Високовуглецеві - стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 застосовують як рессорно-пружинних. Термообробка: гарт + середній відпустку на троостіт для отримання високої міцності і пружності # 963; в> 800 МПа.
2) Леговані конструкційні сталі. Леговані стали виробляють якісними, високоякісними або особовисококачественная. Їх застосовують після гарту і відпустки, так як в відпаленого стані вони за механічними властивостями практично не відрізняються від вуглецевих.
Низьковуглецеві низьколеговані сталі містять до 0,2% С і до 2-3% недефіцитних легуючих елементів. Їх зміцнення засноване на легуванні фериту марганцем і кремнієм. До цієї групи належать:
Марганцевисті. 14Г, 19г, 09р і ін.
Марганцовокремністие. 12ГС, 09ГС, 10Г2С1 і ін.
Стали застосовують в будівництві для зварних конструкцій, в якості арматурних сталей і машинобудуванні # 963; в ≈ 400 МПа.
Цементуемие стали застосовують для невеликих деталей, що працюють при середніх навантаженнях # 963; в ≈ 700 - 750 МПа.
Хромисті - 15Х, 20Х
Комплексно-леговані підвищеної міцності:
Хромонікелеві - 12ХН3А, 20ХН3А, 20ХН, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А застосовують для великих деталей відповідального призначення (# 963; в ≈ 1000-1300 Мпа)
Хромонікельмолібденових, хромонікельвольфрамовие - 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА мають високі механічні властивості (# 963; в ≈ 1150 МПа). Застосовують для великих деталей особливо відповідального призначення.
Середньовуглецеві леговані -поліпшує - містять вуглецю 0,3-0,5%
Набувають високі механічні властивості після термічного поліпшення (гарту і високого відпустки)
Хромисті 40Х, 50Х -дешево, виготовляють деталі невеликого перерізу (15-25мм), без динамічних навантажень.
Хромомарганцовокремністие - хромансиль 30ХГСА
Хромонікелеві - 40ХН прожарюється на глибину 40-50 мм
Хромонікельмолібденових - 40ХНМА, 38ХН3МА - глубокопрокалівающіеся стали, практично в будь-якому перетині. Гартуються на повітрі, мають малу схильністю до крихкого руйнування, добре працюють при динамічних навантаженнях і в умовах знижених температур. Виготовляють: відповідальні деталі - вали і ротори турбін, деталі компресорних машин. Недоліки: висока вартість, знижена різанням.
Леговані високоміцні сталі. До найбільш поширених високоміцним сталям відносяться:
Використовують в самолотеостроеніі (шасі, оболонка космічних летат. Апаратів), для силових зварних конструкцій.
Інструментальні стали призначені для виготовлення інструментів 4-х типів:
ріжучих, вимірювальних, штампів холодного деформування і штампів гарячого деформування.
Стали для ріжучого інструменту.
Вуглецеві сталі - стали У7, У8, У9. Теплостійкість до 200 о С. Твердість після гарту у воді HRC = 60-62. Володіють достатньою в'язкістю, тому їх застосовують для інструментів, що піддаються ударам: зубила, ножиці і ножі по металу, столярні інструменти та ін.
З сталей У10, У11, У12, У13 виготовляють свердла, напилки, пили, мітчики, фрези та ін.
У12, У13 - для інструментів з максимальною зносостійкістю - зубила для насічки напилків, граверний інструмент (HRC = 62-64).
Низьколегованісталі - містять до 5% легуючих елементів. Хром - постійний легуючий елемент. Для поліпшення властивостей вводять марганець, кремній, вольфрам. HRC = 62-69. Ці стали, так само як і вуглецеві, мають теплостійкість до 200 ° С, тому їх застосовують для невеликих швидкостей різання. З них виготовляють інструменти більших розмірів і більш складної форми.
ХВ4- алмазна сталь - для чистової обробки твердих матеріалів. Стали Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ - застосовують для фрез, свердел, різенарізальних та інших інструментів з поперечним перерізом 35-100 мм.
Стали для вимірювального інструмента
Основні властивості: висока зносостійкість, сталість розмірів і форми протягом тривалого часу. Найбільш широко застосовують стали Х, ХГ, ХВГ, 9ХС і ін.
Стали для інструментів холодної обробки тиском.
Інструменти, що працюють при невеликих ударних навантаженнях. У10, У11, У12, низьколеговані Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ
Для великих інструментів складної форми Х12, Х12М, Х12Ф1.
Стали для інструментів гарячої обробки тиском.
Використовують низьколеговані сталі з підвищеною ударною в'язкістю і теплостійкість. 5ХНМ. 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ.
Спеціальні сталі (з особливими властивостями).
2) Корозійностійкі (нержавіючі) сталі. Ці стали мають високу стійкість проти корозії в агресивних середовищах. У них додають хром (12-27%), в деяких випадках і нікель (2,8 - 11%). Найбільшу корозійну стійкість сталь набуває після термічної обробки: загартування з 1000-1100 ° С в маслі з відпусткою при 700-750 про С.
Хромисті стали - 12х13, 40Х13, 12Х17 - застосовують для слабо агресивних середовищ.
Хромонікелеві стали - 12Х18Н9, 17Х18Н9, 12Х18Н9Т - для окислювальних середовищ
3) Жароміцні сталі - здатні працювати в навантаженому стані при високих температурах (450-700 о С) протягом певного часу. Вони використовуються для виготовлення деталей двигунів внутрішнього згоряння, парових і газових турбін, металургійного устаткування. Для температур 500 - 580 о С. 16М, 15М, 12Х1МФ
Для більш високих температур застосовують сложнолегірованние: 18Х12ВМБФР.
4) Жаростойкие (окалиностійкі) здатні чинити опір корозійного впливу газу при високих температурах. (550-900 о С). Жаростійкі сталі містять алюміній, хром, кремній.
40Х9С2 - застосовують для виготовлення теплообмінників, що працюють при 850 ° С
36Х18Н25С2- для клапанів двигунів внутрішнього згоряння великої потужності (до 1100 о С).
5) хладостойкой стали:
Вуглецеві: звичайної якості від -20 до -50 ° С
Якісна і низьколегована від -30 до -60 (09Г2С)
Леговані: нікелева з 6% нікелю від -100 до -150 ° С
З 9% нікелю від -150 до -196 ° С
Хромонікелева 12Х18Н10Т від -253 до -269
Стали з високою технологічною пластичністю. У цих сталей невисокий межа плинності # 963; т і великі значення відносить. подовження # 948 ;. Марки: стали 05, 08, 10 всіх видів розкислення.