Классификация сталей

В зависимости от назначения стали объединяют в три большие группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин, строительных конструкций и сооружений. Их маркируют по химическому составу: содержание углерода соответствует в обозначении сотым долям процента (см. Приложение К). Комплекс механических свойств конструкционных сталей улучшается за счет совместного воздействия термообработки и легирующих элементов. Конструкционные стали классифицируют по следующим признакам.

По химическому составу:

- углеродистые;

- легированные – строительные (Ст3, Ст4, 14Г2, 14ХГС) – для сварных конструкций; высокопрочные (30ХГСНА, 40ХГСН3ВА) – для силовых сварных конструкций, деталей фюзеляжей, шасси; мартенситостареющие (03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10) – для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении, приборостроении; цементуемые (15Х, 20ХН3А, 18ХГТ) – для зубчатых колес, кулачков; улучшаемые (40Х, 20ХГС, 30ХН2МФ) – для ответственных деталей, валов, штоков, шатунов; рессорно-пружинные (60С2, 50ХФА); шарикоподшипниковые (ШХ15, ШХ15ГС); для отливок (15Л, 20ГЛ, 35НГМЛ);

По качеству:

- обыкновенного качества с содержанием S, P до 0,055% - Ст1 – Ст6, Ст2кп – поставляемые по механическим свойствам, БСт3кп – поставляемые по химическому составу и в дальнейшем подвергаемые термообработке, ВСт3пс, ВСт4сп – поставляют по химическому составу и механическим свойствам. Применяют для ограждений, труб, заклепок, балок, листов для холодной штамповки, крюков, гаек, рычагов, деталей сельскохозяйстенного машиностроения;

- качественные с содержанием вредных примесей ≤ 0,04% – 08кп, 10кп, 30пс, 45, 60, 45Х и др. Применяют для штамповочных листов, осей, валов, втулок, шестерен;

- высококачественные с содержанием S, P до 0,025% – У10А;

- особо высококачественные с содержанием S, P до 0,015% - А40Г, А12, А20 (автоматные). Применяют для изготовления на автоматах винтов, болтов, гаек;

По степени раскисления (степени удаления из жидкого металла кислорода с помощью

Mn, Si, Al):

- спокойные (сп);

- полуспокойные (пс);

- кипящие (кп) – низкоуглеродистые, раскисленные только Mn, с повышенным содержанием газов, дешевые;

По структуре в отожженном состоянии:

- доэвтектоидны е (с избыточным ферритом) - углеродистые;

- эвтектоидные (со структурой перлита) - углеродистые;

- аустенитные - легированные;

- ферритные - легированные;

По прочности:

- стали нормальной или средней прочности (до 1000МПа);

- повышенной прочности (до 1500МПа);

- высокопрочные (больше 1500МПа).

Инструментальные стали используются для обработки материалов давлением. Их классифицируют также по разным признакам.

По химическому составу инструментальные стали являются преимущественно легированными. Часть углеродистых сталей – качественные. По применению инструментальные разделяют на стали для режущего, штампового и измерительного инструментов. Часто классифицируют инструментальные стали по теплостойкости как свойству, определяющему их основные особенности, химический состав и область назначения. По этому признаку различают: нетеплостойкие, полутеплостойкие, и теплостойкие. Внутри каждой группы инструментальные стали дополнительно различают по механическим свойствам: стали высокой твердости и стали повышенной вязкости.

Стали для режущих инструментов:

- углеродистые инструментальные стали – У7, У8, У8А – применяют для инструментов ударного действия – пуансоны, керны, зубила, кузнечные штампы; У9, У13 – применяют для сверл, разверток, фрез, плашек, напильников;

- легированные инструментальные стали – Х5, 7ХФ, 9ХС, 6ХВГ, 9ХС – для ударного и режущего инструмента; ХВ5 – алмазная сталь для разверток, резцов, граверного инструмента;

- быстрорежущие стали – Р18, Р9, Р12Ф3, Р9М4К8 – работают при больших скоростях резания.

Стали для измерительного инструмента (калибров, шаблонов, линеек):

- высокоуглеродистые – У12;

- хромистые - Х9, Х12Ф1

Стали для штампового инструмента:

- стали для штампов холодного деформирования – У10, У12 – для небольших размеров до 25мм, 9ХС, Х12М – с хорошей прокаливаемостью; ХС4, 5ХНМ, 5ХГМ – с большой вязкостью;

- стали для штампов горячего деформирования – 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ – для больших ударных нагрузок, 4ХВ2С – термостойкие.

В особую группу инструментальных материалов входят твердые сплавы на основе карбидов тугоплавких металлов, связанных кобальтом, легированной сталью или же жаропрочным сплавом на основе никеля. Их применяют для инструмента, работающего на особо высоких скоростях резания.

Стали (и сплавы) с особыми свойствами:

- коррозионностойкие – 12Х13, 30Х13, 12Х18Н9Т, 10Х14АГ15 и др. Основным легирующим элементом против коррозии в окислительных средах является Cr, который образует плнку Cr ₂ O ₃ при содержании Cr > 12,5%. Ni повышает коррозионную стойкость, С – понижает коррозионную стойкость, при содержании < 0,02% коррозии не наблюдается. Подвергаются закалке с 1000-1100⁰С. Применяют для изделий, работающих в агрессивных средах: хирургических инструментов, оборудовании химической, пищевой, легкой промышленности;

- жаростойкие – 15Х25Т (окалиностойкая до 1100-1150⁰С), 15Х28, 36Х18Н25С2 и др. Сопротивляются газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени. Жаростойкость повышается за счет легирующих элемнтов Cr, Al, Si, образующих на поверхности оксиды Cr ₂ O ₃, Al ₂ O ₃, SiO ₂ – плотные тугоплавкие пленки, препятствующие проникновению О ₂ в глубь изделия. Окалина – это оксид, который пропускает О ₂ (например, FeO). Применяют для деталей нагревательных печей, работающих в окислительной газовой среде при 500-550⁰С.

- жаропрочные – способные сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. 15ХМФ, 12Х2Мб, 40Х9С2 (котельные, перлитного и ферритного классов) – применяют при 350-500⁰С; 17Х18Н9, 12Х18Н12Т (аустенитного класса) – применяют при температурах >500⁰С для паровых котлов, лопаток турбин, сопел; ХН60Ю, ХН78Т – на основе никеля применяют при температурах 700-900⁰С.

- сплавы с особыми магнитными свойствами (ферромагнетики) имеют определенные магнитные характеристики M_S, B_S, λ_S, K и θ;, зависящие от химического состава, и характеристики μ;, H_C, B_r, H – зависящие еще и от вида термической обработки. Материалы, которые намагничиваются в слабых магнитных полях(H ≤5·10⁴А/м вследствие большой магнитной проницаемости(μ;) и малых потерь на перемагничивание называют магнитно-мягкими (железо, нелегированные – 10895, 20895, 10864, 20848 и легированные –1411, 1511, 2011, 2311, 3411 электротехнические стали). Их применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, динамомашин. Магнитно-твердые материалы (Fe-Ni-Al, ферриты бария и кобальта, хромко, викаллой, кунико, кунифе, платинакс, стали –ЕХ3, ЕХ5К5 и др.) используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных полях, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию(B_r) и коэрцитивную силу(H_C).

- по электрическим свойствам материалы подразделяются на проводники (чистоые Cu, Al, Fe, биметаллический провод, припои на основе Sn, Pb, Zn, Ag), полупроводники (бор, углерод-алмаз, кремний, германий, олово, фосфор) и диэлектрики (керамик, пластмассы). Различаются они по величине удельного электрического сопротивления, по характеру зависимости его от температуры и по типу проводимости. Проводники имеют значения удельного электросопротивления в пределах от 10^-8-10^-5ом·м, которое с ростом температуры увеличивается. Их используют для проводников постоянного и переменного тока, резисторов, нагревательных элементов, контактов и т.п.

Для приведения в систему существующих марок сталей можно строить собственные классификационные схемы с учетом структуры, свойств, режимов обработки материалов. Возможны варианты построения неполных схем, охватывающих лишь отдельные группы материалов. При этом важно учитывать ряд сведений, как например:

- самый распространенный вид стали, применяемой в строительстве зданий и мостов, – это конструкционная сталь, содержащая 0,1–0,25% углерода и легирующие элементы, такие, как марганец и кремний, в количествах менее 1%. Предел текучести таких сталей свыше 250 МПа, предел прочности при растяжении свыше 450 МПа. Относительное удлинение, как правило, больше 20%. Тонколистовые стали для автомобильных кузовов и бытовой техники содержат лишь около 0,05% углерода. Они менее прочны, нежели конструкционные стали, но более пластичны, что позволяет обрабатывать их методами холодного штампования и высадки. В процессе формообразования их прочность повышается (деформационное упрочнение), чем компенсируется влияние пониженного содержания углерода. Содержание примесей контролируется, в частности, содержание серы и фосфора поддерживается на уровне ниже 0,02%, при котором эти элементы не снижают вязкости и пластичности материала;

- легированные стали – это стали с добавкой элементов, улучшающих те или иные свойства: прочность, ударную вязкость, сопротивление ползучести или коррозионную стойкость. Закаленные и отпущенные стали применяются для аэрокосмических и автомобильных деталей, крупных турбин, скальпелей и ножей, режущего инструмента и других изделий, от которых требуется высокая прочность. Отдельную группу составляют нержавеющие стали. Такие стали содержат много хрома (обычно свыше 12%) и могут содержать другие легирующие элементы, например никель и молибден. Они обладают повышенной коррозионной стойкостью. Типичная область их применения – химико-технологическая аппаратура, оборудование пищевой промышленности и всевозможные декоративные металлические изделия. Нержавеющие стали представляют собой сложные сплавы, и некоторые из них могут быть термообработаны на высокую прочность. Они применяются в виде отливок, а также полуфабрикатов, получаемых формообразованием в холодном или нагретом состоянии – листового проката, толстых листов, труб, прутков и проволоки;

- инструментальные стали содержат много углерода (0,8–2,0%) и достаточно много легирующих элементов для образования не только твердого мартенсита, но и твердых карбидов. Типичные легирующие элементы таких сталей – хром, молибден, вольфрам и ванадий. Инструментальные стали обычно термообрабатываются на высокую прочность. Некоторые из инструментальных сталей, т.н. быстрорежущие, способны сохранять свою твердость в режущих инструментах до температур, достигающих 600° C. Содержание легирующих элементов в инструментальных сталях обычно выше, чем в любых других легированных сталях. Прочность на растяжение таких материалов составляет 1400–2800 МПа. Ударная вязкость инструментальных сталей, как правило, низка;

- жаростойкие (окалиностойкие) сплавы. Эта группа сталей отличается высоким содержанием хрома, молибдена или никеля и применяются в паровых котлах, газотурбинных установках, авиационных двигателях, печах и печных конвейерах – всюду, где температура может составлять 400–1400° C. Самой важной характеристикой таких сталей является сопротивление ползучести при высоких температурах. Большое значение имеет также сопротивление окислению (окалиностойкость).

Чугуны

Чугун – наиболее распространенный материал для изготовления отливок благодаря хорошим технологическим свойствами относительной дешевизне. Область его применения расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических свойств, а также разработки новых марок со специальными физическими и химическими свойствами. Обычно их делят по структуре на белые и серые.

Серый чугун, содержащий 3,5–4% углерода, около 1% кремния и столько же марганца, – самый распространенный в мире литейный материал, применяемый для изготовления блоков и головок цилиндров, редукторных корпусов, тормозных барабанов, станин металлорежущих станков и многих других изделий. Серые чугуны по химическому составу разделяют на обычные и легированные (по аналогии со сталями). Классификация структур чугунных отливок перлитно-ферритного класса по перлиту, графиту и фосфидной эвтектике регламентирована ГОСТами. Существуют ГОСТы на примерный химический состав, свойства и назначение отливок из серого чугуна с пластинчатым графитом; из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом; на состав, свойства и назначение жаропрочного, жаростойкого, коррозионностойких, антифрикционных чугунов.

Белый чугун представляет собой более твердую форму серого с содержанием 2,5% углерода, менее 1% кремния и менее 1% марганца. Углерод входит в состав чугуна в виде карбидов (цементита). Белый чугун весьма тверд, но, как и серый, малопластичен. Он используется в основном в качестве износостойкого материала, например для шаров и броневых плит мельниц, размалывающих минералы. Белый чугун можно термообработкой превратить в т.н. ковкий чугун.

Ковкий чугун гораздо более пластичен, чем серый и белый, но менее прочен и не так тверд. Ковкие чугуны применяются в основном для сложных отливок, таких, как трубопроводная арматура, цепи, крепеж для строительных лесов.

Высокопрочные чугуны получают из серых путем модифицирования их кристаллической структуры для получения шаровидного графита. Чугун с шаровидным графитом широко применяется в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, кронштейны, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи и т.д.), в металлургии (изложницы), в тяжелом машиностроении (детали турбин, прокатные валки), в транспортном и сельскохозяйственном машиностроении.