Конструкционные материалы классификация углеродистых сталей

Углеродистыми сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,05 до 1,35 % С. Существует несколько систем классификации сталей. Углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали содержат до 0,65 % С, инструментальные - более 0,65 % С.

Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали подразделяются на следующие группы.

По содержанию углерода углеродистые стали делятся на низкоуглеродистые до 0,25 % С, среднеуглеродистые – 0,3…0,5 % С, высокоуглеродистые - > 0,50 % С.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные при содержании углерода до 0,8 % С, эвтектоидные – 0,8 % С и заэвтектоидные – более 0,8% С.

Углеродистые стали, как наиболее дешевые, технологичные и имеющие достаточно высокий комплекс механических свойств, применяются для металлоконструкций общего назначения, используются в строительных конструкциях, для изготовления деталей в машиностроении и т.д.

Согласно диаграмме железо - углерод, к сталям относят сплавы железа с содержанием углерода, менее 2,14% (все сплавы левее точки Е). Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания, углерод оказывает заметное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита. При содержании до 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита, при содержании более 0,8 % С в структуре стали кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит. Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность, однако, уменьшается вязкость и пластичность стали. Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 0,8 - 1,0 %. При увеличении содержании углерода в стали более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных колоний, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита.

Углерод оказывает также существенное влияние на технологические свойства стали - свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением. Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются, и имеют высокую обрабатываемость давлением.

Кроме железа и углерода (основных компонентов) в сталях содержатся технологические добавки (марганец, кремний) и примеси, главными из которых, наиболее вредными, являются сера и фосфор.

Марганец и кремний вводят в сталь при раскислении, они упрочняют железо. Марганец увеличивает прокаливаемость (возможную глубину закаленного слоя) сталей, а также уменьшает вредное влияние серы. Содержание вредных примесей - серы и фосфора регламентируется стандартами. Основным источником серы и фосфора в стали является исходное сырье - чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также приводит к красноломкости стали при прокатке и ковке. Она образует с железом соединение FeS - сульфид железа. При нагреве стальных заготовок до температуры горячей деформации включения FeS вызывают в стали хрупкость, а в результате оплавления при деформации образуют надрывы и трещины. Фосфор, растворяясь в железе, уменьшает его пластичность.

Содержание марганца в сталях обычно, колеблется в пределах от 0,25 до 0,8%. В сталях обыкновенного качества содержание марганца зависит от содержания углерода. В сталях Ст1, Ст2 марганец содержится в количестве 0,25 - 0,50%; в Ст3, Ст4 - от 0,30 - 0,60% до 0,40 - 0,70%; в Ст5, Ст6 - 0,5 - 0,8%. Кроме того ГОСТ 380-94 предусматривает стали с повышенным содержанием марганца Ст3Гпс и Ст3Гсп (0,8 - 1,1%).

Кремний - один из основных раскислителей сталей. Его содержание в сталях колеблется от допустимой примеси (до 0,05%) до 0,30 - 0,37%. Согласно ГОСТ 380-94, кипящие стали содержат кремний в количестве, менее 0,05%, спокойные -0,15 - 0,30%, полуспокойные 0,05 - 0,15%.

Сера и фосфор - основные, наиболее вредные примеси в сталях. Массовая доля серы в стали всех марок по ГОСТ 380-94, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора - не более 0,040 %, в стали марки Ст0: серы - не более 0,060 %, фосфора - не более 0,070 %. Кроме того, вредными примесями в сталях являются кислород, водород и азот. Их присутствие вызывает понижение пластичности.

Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, снижают вязкость и пластичность стали. Повышенное содержание водорода охрупчивает сталь и приводит к образованию внутренних трещин - флокенов.
2. Деформируемые углеродистые стали

Деформируемые углеродистые стали поставляются металлургическими заводами в горячекатаном состоянии без дополнительной термической обработки, или после термического упрочнения. Из таких сталей производят листы, полосы, прутки, швеллерные и двутавровые прокатанные профили, то есть деформируемые полуфабрикаты.

Углеродистые стали применяют для изготовления проката горячекатаного: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового, а также слитков, блюмсов, слябов, сутунки, заготовок катаной и непрерывнолитой, труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки, метизов и др.

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состав стали, буквы «кп» - кипящая, «пс» - полуспокойная, «сп»- спокойная - способ раскисления стали. Массовая доля вредных примесей в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора – не более 0,040 %, в стали марки Ст0 серы - не более 0,060 %, фосфора - не более 0,070 %. Массовая доля углерода в сталях колеблется от 0,06 до 0,49 %, массовая доля марганца – от 0,25 до 0,80 %. Полуспокойные и спокойные стали могут содержать повышенное количество марганца ( до 1,20 % ), тогда в обозначении марок добавляют букву «Г», например, Ст5Гпс. В кипящих сталях массовая доля кремния составляет не более 0,05 %, в полуспокойных – 0,05-0,15 %, в спокойных – 0,15-0,3 %.

В сталях допускается повышенное содержание вредных примесей, газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, поэтому они относятся к наиболее дешевым сталям. Металлургические заводы, в основном, их поставляют в горячекатанном состоянии без термической обработки.

Кипящие стали отличаются от спокойных и полуспокойных более низкой ударной вязкостью. Порог хладноломкости (температура перехода стали из вязкого состояния в хрупкое) у кипящей стали на 30 – 40 градусов выше, чем у спокойной. Поэтому применение кипящих сталей при низких температурах, или конструкций, испытывающих динамические или вибрационные нагрузки, недопустимо. Для ответственных конструкций лучше всего использовать спокойные стали. Однако кипящие стали, вследствие низкого содержания кремния имеют невысокий уровень предела текучести и упругости. Этим объясняется высокая способность кипящей стали к вытяжке при деформации. Недостатком при использовании сталей обыкновенного качества является малая прочность и малая хладностойкость.

Стали обыкновенного качества Ст2пс, Ст2кп, Ст3кп применяются для неответственных, малонагруженных элементов сварных конструкций. Стали Ст4пс, Ст5сп используются для изготовления деталей клепаных конструкций, болтов, гаек, звездочек, рычагов и других изделий.

Углеродистые качественные конструкционные стали. Стандарт ГОСТ 1050-88 «Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали» устанавливает технические условия для горячекатанного и кованного сортового проката из сталей марок 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп), 60 диаметром или толщиной до 250 мм.

Качественные углеродистые стали, по ГОСТ 1050-88 маркируются буквами и цифрами. Двузначные числа показывают содержание углерода в сотых долях процента. Последующее буквенное обозначение указывает на степень раскисления: сп- спокойная сталь, пс- полуспокойная сталь, кп- кипящая сталь. При отсутствии буквенного обозначения сталь относится к спокойной стали. Содержание углерода в конструкционных углеродистых сталях составляет от 0,05 до 0,65 %, марганца - от 0,25 до 0,80 %, кремния – от 0,03 до 0,37 % в зависимости от степени раскисления и содержания углерода. По содержанию углерода стали 05кп, 08, 08кп, 10, 15, 20, 25 относятся к низкоуглеродистым сталям, 30, 35, 40, 45, 50 – к среднеуглеродистым, 55, 60 – к высокоуглеродистым.

Главное преимущество сталей качественных по ГОСТ 1050-88 - более низкое содержание серы (не более 0,035%) и фосфора (не более 0,040%).

Содержание примесей в этих сталях меньше, чем в сталях обыкновенного качества. Массовая доля серы в сталях должна быть не более 0,040 %, фосфора – не более 0,035 %, исключая марки 11кп и 18кп.

Важной характеристикой при выборе марки стали для изготовления детали являются механические свойства и распределение их по сечению. В соответствии с маркой стали увеличение содержания углерода приводит к росту прочности и уменьшению пластичности.

Кроме содержания углерода, на уровень механических свойств оказывает большое влияние термическая обработка. Прокат поставляется в отожженном, высокоотпущенном, нормализованном, улучшенном состояниях.

Сталь, из которой изготовлена металлопродукция, по химическому составу, с учетом содержания вредных примесей, подразделяют на качественную и высококачественную. Буква «А» в конце марки указывает на то, что сталь высококачественная. Например: У10А – сталь углеродистая, инструментальная, высококачественная и содержит 1 % С. Содержание серы в качественных сталях не более 0,028%, фосфора до 0,03%. В высококачественных сталях (с буквой А), соответственно, не более 0,018%S и 0,025%Р.

По состоянию материала металлопродукцию изготавливают без термической обработки; термически обработанной – Т; нагартованной – Н. В технических требованиях указана твердость обработанной металлопродукции, а также временное сопротивление разрыву. Свойства сталей указаны в таблице 5.4.

В отожженном состоянии инструментальные стали имеют низкую твердость (НВ 150 – 180), что позволяет из них изготавливать инструмент при хорошей обрабатываемости. После закалки инструментальные нелегированные стали получают высокую твердость в поверхностном слое ( HRC = 63 – 65 ) и сохраняют вязкую мягкую сердцевину, что является благоприятным для такого инструмента как ручные метчики, пилы, напильники, стамески, долота, зубила. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую прокаливаемость и сильное смягчение при разогреве режущей кромки более 200 °С, что ограничивает их использование. Низкая прокаливаемость не позволяет изготавливать инструмент сечением более 20 – 25 мм.

Углеродистые стали применяются для изготовления дереворежущего инструмента: фрезы, сверла, резцы и т.д. Режущая кромка инструмента должна обладать высокой твердостью (>= 60 HRC) и износостойкостью. Эти свойства имеют высокоуглеродистые стали после термической обработки, закалки с низким отпуском. Например: стали У7, У7А обладают большей вязкостью, чем стали, содержащие более 0,8 % С и их используют для зубил, молотков, топоров, а также для игольной проволоки и слесарно-монтажных инструментов. Стали У8, У8А, У9, применяют для изготовления инструментов для обработки дерева, для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов, для калибров простой формы. Для штампов холодной штамповки используют стали У10, У11, У11А. Стали высоким содержанием углерода (более 1 % ) У13, У13А, применяют для напильников, бритвенных ножей, лезвий, хирургических инструментов.

Углеродистые стали специального назначения

Строительные стали. Строительные стали предназначены для изготовления мостов, ферм, труб газо- и нефтепроводов, и других конструкций. Строительные конструкции, как правило, сварные, поэтому необходимым требованием к данным сталям является высокая свариваемость.

Свариваемость стали определяется углеродным эквивалентом, который зависит в основном от содержания углерода. Для обеспечения хорошей свариваемости содержание углерода в строительных сталях не должно превышать 0,18 %. В качестве строительных наиболее часто используются углеродистые стали обыкновенного качества Ст1, Ст2, Ст3, Ст5, по степени раскисления – спокойные, полуспокойные. Для конструкций неответственного назначения используют кипящие стали обыкновенного качества.

Строительные стали не подвергают термической обработке у потребителя, а их конечные свойства обеспечивают на металургическом заводе. Эти стали поставляют в горячекатаном, реже в нормализованном состоянии. Для получения более высоких прочностных характеристик стали должны содержать повышенное количество Mn и Si, до 1 – 1,25 % каждого элемента. Чем выше предел текучести, являющийся расчетной характеристикой конструкций, тем меньше сечение и, соответственно, масса конструкций.

Строительные низкоуглеродистые стали используют там, где требуется высокая жесткость конструкций. Их применяют для армирования железобетонных изделий. К недостаткам этих сталей относят низкую хладностойкость, характеристикой которой служит температура перехода из вязкого состояния в хрупкое. Эксплуатация конструкций в условиях Сибири и районах Крайнего Севера приводит к снижению их механических характеристик, что требует большой массы конструкций.Повышение прочности, хладностойкости и надежности при эксплуатации является проблемой, решаемой с помощью легирования сталей.

Для глубокой вытяжки используют малопрочные, высокопластичные стали 05, 08, 10 всех видов раскисления. Их поставляют в виде тонкого холоднокатанного листа в соответствии с ГОСТ 9045-80. Широко применяют кипящие стали 05кп, 08кп, 10кп. Способность этих сталей хорошо штамповаться обусловлена низким содержанием углерода и почти полным отсутствием кремния. Кипящая сталь склонна к деформационному старению (упрочнению) из-за повышенной газонасыщенности. В связи с этим используют сталь, легированную ванадием или алюминием: 08Фкп, 08Юкп.

Легирование - это введение в состав стали элементов, оказывающих полезное влияние на ее структурное состояние и свойства. Легирующими считают любые компоненты, введенные в сталь, кроме основных - железа и углерода, если они не являются примесями. Как правило, содержание примеси в составе стали ограничивается верхними пределами. Легирующими компонентами могут быть: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий и др.

Примесями в первую очередь являются: сера, фосфор, кислород, водород и др., т.е. такие элементы, которые оказывают вредное влияние на свойства сталей. Примесями могут считаться и такие элементы, как медь, никель, хром (если они не предусматриваются марочным составом стали, и их содержание ограничивается по верхнему пределу с указанием "не более"). Кремний и марганец вводят во все стали в качестве технологических добавок, и легирующими элементами не считаются, если их содержание не превышает нескольких десятых долей процента. Если они вводятся в сталь в количествах, превышающих норматив для технологической добавки (кремния - более 0,4-0,5%, марганца - выше 0,8%), то они также являются легирующими элементами.

Влияние легирующих элементов на фазовый состав сталей

Железу свойственны два полиморфных (аллотропических) превращения при температурах 911 и 1392 ºС. В соответствии с диаграммой железо-углерод, углерод повышает температуру высокотемпературного полиморфного превращения (линия NI) и понижает температуру нижней критической точки (линия GS), расширяя область γ-твердого раствора (аустенита).

Все легирующие компоненты разделяются на две группы: расширяющие или сужающие область аустенита (рис.1).

К элементам, расширяющим γ-область, и понижающим критическую точку Ас3, относятся: Mn, Co, Ni, Cu. Сужают аустенитную γ-область и повышают критическую точку Ас3: Si, Al, Cr, Mo, W, V, Ti. При большом содержании компонентов, расширяющих γ-область (рисунок 6.1, а), температура полиморфного превращения может снизиться ниже комнатной. В этом случае равновесной фазовой составляющей сталей становится аустенит (γ-фаза), и такие стали называют аустенитными.

При высоком содержании элементов α-стабилизаторов стабильной фазой в широком интервале концентраций становится α-фаза. Стали с такой структурой называют ферритными.



Рис.1. Схема преобразования диаграмм фазового равновесия в связи с влиянием легирующих элементов на температуру полиморфных превращений железа
Легирующие элементы растворяются в α- и γ-железе, образуют, соответственно, легированный феррит и легированный аустенит. Все легирующие элементы, в отличие от углерода, образуют твердые растворы замещения.

Растворенные в аустените, все легирующие элементы понижают содержание углерода в эвтектоиде. Причем почти все легирующие элементы, за исключением никеля и марганца, повышает температуру эвтектоидного превращения (рис.2).

При растворении атомов легирующих компонентов искажается решетка железа, усиливаются межатомные связи, существенно повышается прочность твердых растворов практически без снижения вязкости. Это благоприятно сказывается на всем комплексе механических свойств сталей как в отожженном состоянии, так и, особенно, после упрочняющей термической обработки (рис.3). Практически все легирующие элементы повышают твердость феррита (а). Ударная вязкость изменяется неоднозначно (б). Никель, хром и до некоторой степени марганец одновременно с повышением твердости феррита увеличивают и его ударную вязкость, тем самым улучшая весь комплекс свойств.



Рис.2. Влияние легирующих элементов на положение эвтектоидной точки на диаграмме железо-углерод: а - на содержание углерода в эвтектоиде; б - на температуру эвтектоидного превращения



Рис.3. Влияние легирующих элементов на свойства феррита: а - твердость; б - ударная вязкость
При дальнейшем увеличении содержании никеля, хрома и марганца, а также при любых содержаниях молибдена, вольфрама и кремния ударная вязкость феррита уменьшается.

Все легирующие элементы (за исключением кобальта), растворенные в твердом растворе - аустените, при переохлаждении с высоких температур увеличивают устойчивость его к распаду, смещая вправо С-образные линии диаграмм изотермического распада. Это очень сильно уменьшает критическую скорость закалки, позволяет проводить закалку легированных сталей в масле или, даже на воздухе. Это также снижает опасность образования закалочных трещин, уменьшает коробление изделий и увеличивает прокаливаемость сталей. Комплексное легирование несколькими элементами (Cr, Ni, Mo, W, V) в количестве 5 - 10% позволяет создавать стали с практически сквозной прокаливаемостью даже для очень крупных изделий.

Растворенные в переохлажденном аустените, легирующие элементы (кроме кобальта) понижают точки начала и конца мартенситного превращения (рис.4). Наиболее сильно влияют на положение мартенситных точек марганец, хром и никель.


Рис.4. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и количество остаточного аустенита (б) для сталей, содержащих 1% С
Этим объясняется то, что основные стали аустенитного класса содержат эти элементы. Примером такой высокомарганцевой стали является высокоизносостойкая аустенитная сталь Гадфильда (110Г13Л) с 13% Mn. После закалки с высоких температур (1050 - 1100˚С) в воде эта сталь имеет аустенитную структуру, а при ударах в поверхностных слоях изделия (например, зуба ковша экскаватора) происходит образование кристаллов мартенсита деформации, что обеспечивает высокую ударно-абразивную стойкость.

Другим примером такого легирования являются аустенитные хромо-никелевые нержавеющие стали типа 08Х18Н10Т, которые после закалки приобретают чисто аустенитную структуру, что обеспечивает важнейшее свойство таких сталей - высокую коррозионную стойкость.

Легирующие компоненты в сталях проявляют различное сродство к углероду, что существенно влияет на их фазовый состав. Малое сродство к углероду проявляют Si, Ni, Co, Cu, Al. Эти элементы, хотя и могут образовывать карбиды при взаимодействии с углеродом, но в сталях в присутствии железа такие карбиды не образуются.

Компоненты, имеющие повышенное сродство к углероду, образуют в стали карбиды. Чем выше сродство легирующего элемента к углероду, тем выше устойчивость карбидов в стали при нагреве. Эти компоненты в порядке увеличения сродства к углероду и, следовательно, в порядке повышения устойчивости карбидов в стали, можно расположить в следующей последовательности: Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti. Наименее устойчивы и легче всего растворяются в аустените при нагреве карбиды марганца, затем хрома и молибдена. Практически нерастворимыми являются карбиды титана и циркония. Именно эти элементы и вводят в сталь для измельчения размера зерна.

При малом содержании Mn, Cr, Mo, W растворяются в цементите, образуя легированный цементит: (Fe,Mn)3C , (Fe,Cr)3C. При более высоком содержании этих легирующих элементов могут образовываться и самостоятельные карбиды: Mn3C, Cr7C3, Cr23C7, Fe3W3C и др. Более сильные карбидообразующие элементы (Nb, V, Zr, Ti) в цементите не растворяются и образуют только самостоятельные карбиды.

Карбиды, присутствующие в стали, имеют очень большую твердость, упрочняют сталь, делают ее износостойкой. Поэтому карбидообразующие элементы являются обязательными компонентами в инструментальных сталях. Количество таких элементов в инструментальных быстрорежущих сталях может достигать 20 - 25% по массе.

Легированные стали характеризуются пониженной теплопроводностью, в связи с чем при нагреве и охлаждении в ней могут возникать более значительные по сравнению с углеродистой сталью градиенты температур по сечению, а, следовательно, и более высокий уровень термических напряжений. Учитывая, что легированные стали более хрупки по сравнению с углеродистой, эти напряжения оказываются более опасными в отношении образования трещин. Поэтому, нагрев легированной стали при отжиге, под закалку должен проводиться более медленно или с применением ступенчатых режимов.

Легирующие элементы сами трудно диффундируют и затрудняют диффузию углерода в стали. Поэтому для полного завершения фазовых превращений, развивающихся по диффузионным механизмам, а также процессов гомогенизации твердых растворов, легированные стали требуют более длительных выдержек при нагреве под закалку, при отпуске и отжиге. По этой же причине при термической обработке оказывается необходимым и возможным применение более высоких температур нагрева, как при закалке, так и при отпуске. При одной и той же температуре отпуска легированная сталь остается более твердой по сравнению с углеродистой сталью.

При закалке быстрорежущих сталей температура нагрева может достигать значений 1200 - 1280ºС, что на 350-400ºС превышает критические точки стали. Несмотря на это, быстрорежущие стали остаются после такой закалки одними из самых мелкозернистых. Способствует получению сверхмелкозернистых структур быстрорежущих сталей большое количество устойчивых карбидов, сохраняющихся в сталях вплоть до температур плавления. Еще одной особенностью термической обработки быстрорежущей стали является необходимость проведения многократного (2-3-х- кратного) отпуска при температуре 550-570ºС, в результате чего достигается уменьшение количества остаточного аустенита с 25-35% до 2-3% и появление вторичной твердости стали, превышающей твердость закаленной стали (HRC = 63-65). Отпуск при таких температурах обеспечивает сохранение свойств закаленной стали при высокотемпературных нагревах до 600ºС, что делает ее теплостойкой (красностойкой).

Легированные стали классифицируются по нескольким признакам.

По химическому составу сталь подразделяется в зависимости от того, какими элементами она легирована: хромистая (Cr), марганцовистая(Mn), хромоникелевая (Cr и Ni), хромоникельмолибденовая (Cr, Ni, Mo) и т.д.

По количеству легирующих элементов стали подразделяют на: низколегированные, при содержании легирующих элементов в сумме до 2,5%; среднелегированные - 2,5 - 10%; высоколегированные - свыше 10%. Если сумма легирующих элементов превышает 50%, то получается сплав, а не сталь.

По назначению стали подразделяются на: конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. При этом, конструкционные стали подразделяют на цементуемые (с низким содержанием углерода - до 0,25-0,30%) и улучшаемые (при более высоких значениях содержания углерода).

По структуре стали делятся на классы: ферритный, перлитный, бейнитный, мартенситный, аустенитный и ледебуритный (карбидный).

К ферритному классу относится сталь с высоким содержанием элемента, расширяющего область α-железа и сужающего аустенитную γ-область, таким образом, что сталь при небольшом содержании углерода при комнатной температуре получает структуру чистого феррита. К сталям ферритного класса относится, например, хромистая низкоуглеродистая нержавеющая сталь с содержанием хрома 13%.

К перлитному классу относится большинство сренеуглеродистых и высокоуглеродистых конструкционных и инструментальных сталей с небольшим и средним содержанием легирующих элементов. Стали этого класса в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе из аустенитного состояния) состоят преимущественно из перлита и при наличии других фаз в качестве избыточной структурной составляющей.

К бейнитному классу относят стали, получающих после охлаждения на воздухе бейнитную структуру.

Мартенситный класс составляют высоколегированные стали с высокой устойчивостью аустенита к распаду, в которых при охлаждении на воздухе образуется мартенсит.

Стали ледебуритного (карбидного) класса характеризуются наличием в их структуре устойчивого ледебурита (карбидной эвтектики), образовавшегося при первичной кристаллизации, и сохраняющегося в слитке и промежуточной заготовке. В готовом прокате карбидная эвтектика, раздробившись, может образовывать карбидную неоднородность (строчечность) в инструментальной быстрорежущей и штамповой сталях.

Необходимо иметь в виду, что, с учетом особенностей классификационных признаков одна и та же сталь может одновременно относиться к одному или нескольким классификационным группам. Например, хромоникелевая нержавеющая сталь одновременно относится к группе сталей с особыми свойствами, и к группе конструкционных сталей. Стали инструментальные быстрорежущие ледебуритного (карбидного) класса одновременно можно отнести и к сталям мартенситного класса.

В соответствии с действующими государственными стандартами в России принят буквенно-цифровой принцип маркировки легированных сталей (таблица 1).

Примеры марок сталей и их среднего химического состава

Легирующие компоненты в марках сталей обозначаются большими буквами русского алфавита: Х - хром, Н - никель, В - вольфрам, Ф - ванадий, М - молибден, Т - титан, Ю - алюминий Д - медь, К - кобальт, Ц - цирконий, Р - бор, Б - ниобий, Г - марганец, С - кремний. Буква А, стоящая перед началом марки - обозначает марку автоматной стали с улучшенной обрабатываемостью резанием, что достигается введением в сталь повышенного содержания серы или свинца. Если буква А стоит в середине марки, то она обозначает азот, специально введенный в сталь. Если буква А стоит в конце марки, то это обозначает высококачественную сталь с пониженным содержанием серы и фосфора.

Две цифры, стоящие перед буквенным обозначением, соответствуют количеству в стали углерода в сотых долях процента, а также показывают принадлежность стали этой марки к группе конструкционных сталей. Если впереди букв стоит одна цифра, то она обозначает содержание углерода в десятых долях процента, и то, что данная марка соответствует инструментальной стали. Если перед буквенным обозначением марки цифры нет, то это значит, что в инструментальной стали содержание углерода, в среднем 1,0%.

Цифры, стоящие после каждой буквы, обозначают содержание в целых процентах того элемента, после которого они стоят. Если после буквы, обозначающей элемент в марке стали, цифры нет, то это значит, что количество этого элемента в стали равно или около одного процента. Исключение составляют: Mo, Ti, Zr, V, содержание которых в этом случае составляет от 0,1 до 0,3%.

Для некоторых марок сталей применяются особые буквенные обозначения. Это в первую очередь относится к букве А, о которой говорилось выше. Быстрорежущие стали начинаются с буквы Р, шарикоподшипниковые - с буквы Ш, электротехнические - с буквы Э. Исследовательские марки, не внесенные в стандарты, имеют заводские маркировки, например, ЭИ - завод "Электросталь" (ЭИ-69, ЭИ-914 и т.д.).
3. Конструкционные легированные стали

Кроме углеродистых конструкционных сталей, рассмотренных в 5-й главе, в промышленности используются стали легированные. В связи с особенностями их химического состава, условиями их производства и поставки целесообразно их разделить на следующие группы:

- строительные низколегированные стали;

- автоматные стали;

- конструкционные стали общего назначения, в том числе: цементуемые, улучшаемые, азотируемые;

- высокопрочные стали;

- пружинно-рессорные стали;

- стали для шариковых (роликовых) подшипников;

- стали литейные.

Строительные стали.

Кроме углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94 и проката из качественной стали по ГОСТ 1050-88 (см. гл. 5), в качестве свариваемых строительных сталей используют малолегированные малоуглеродистые стали: 09Г2; 09Г2Д; 14Г2; 17ГС; 17Г1С; 09Г2С; 10Г2С1; 15ГФ; 14Г2АФ; 14Г2АФД; 16Г2АФ; 10Г2Б; 10ХСНД (по ГОСТ 19281-89. Поставка сталей в горячекатанном и термически обработанном состоянии). Предел текучести, в зависимости от марки стали, не менее 290 - 390 МПа, при относительном удлинении не менее 21 - 19%.

Применяют низколегированные стали 18Г2С; 25Г2С; 35ГС; 80С по ГОСТ 5781-82. В зависимости от марки стали и применяемой технологии упрочнения легированные стали могут иметь предел текучести не менее 290 - 590 МПа, при относительном удлинении не менее 19 - 6%.

Автоматные стали. Автоматные стали созданы на основе введения в сталь присадок S, Se, Ca, Fe, Pb, которые приводят к образованию включений, способствующих получению легко ломающейся стружки. Введение в сталь этих элементов понижает конструктивную прочность сталей, уменьшает предел выносливости после цементации до 40 %. Углеродистые автоматные стали маркируют буквой «А» и цифрами, обозначающими содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30. При повышенном содержании Mn (до 1 %): А12Г. При введении других элементов они указываются буквами, например: АС11, АС14 – стали, содержащие свинец до 0,15 – 0,3 %. Для сохранения высоких механических свойств автоматные стали могут легироваться марганцем, кремнием, хромом, молибденом и др. В этом случае марки стали следующие: АС38Г2, АС30ХМ, АС38ХГМ. Их используют в деталях двигателей.

Кальций вводится в виде силикокальция, глобулирует сульфидные включения, что повышает обрабатываемость. Сера способствует образованию вытянутых вдоль направления прокатки сульфидов марганца, которые оказывают смазывающее действие, и нарушают сплошность металла в зоне резания, образуя короткую и ломкую структуру стружки. Стали с повышенным содержанием серы (0,08 – 0,3 %) обладают повышенной анизотропией механических свойств. Свинец, при содержании до 0,15 – 0,3 % повышает обрабатываемость резанием при средних и пониженных скоростях резания (до 100 об/мин).

Для изготовления цементуемых и нитроцементуемых деталей используются малоуглеродистые (до 0,25% С) мало и среднелегированные стали. Легирование одним компонентом (например, хромом) позволяет применять после цементации закалку в масло против закалки в воде углеродистых сталей, что уменьшает коробление и устраняет опасность образования трещин (стали, 15Х, 20Х). Увеличение степени легирования хромом, а также дополнительное легирование никелем, молибденом, вольфрамом увеличивает прокаливаемость и позволяет получать после цементации, нитроцементации и окончательной термической обработки высокий комплекс механических свойств не только в поверхностном цементованном слое но и в сердцевине крупногабаритных изделий (стали 20ХН, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА). Легирование титаном уменьшает склонность к росту зерна стали при цементационном нагреве (стали 18ХГТ, 25ХГТ).

Вторую группу составляют хромистые стали (30Х, 40Х), у которых критический диаметр при закалке в масле составляет 15-20 мм. В третью группу входят стали типа 30ХМ, 35ХМА, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых критический диаметр 20-25 мм. Четвертую группу составляют стали типа 40ХН, 40ХНМ Д_кр=35-40мм. К пятой группе относятся комплексно легированные стали, например, 38ХН3МФА, у которых Д_кр превышает 100 мм.

Область применения стали: детали авиаконструкций, броневой лист и др.

Пружины более крупных размеров, изготавливаемых методами горячей навивки, а также рессоры изготавливаются из легированных пружинных сталей 65Г, 55С2, 60С2А, 70С3, 50ХГА. Для клапанных пружин, работающих при повышенных температурах, используют сталь 50ХФА. Крупные тяжело нагруженные пружины изготавливают из сталей 60СХФА, 65С2ВА. Пружины холодной навивки из патентированной проволоки требуют проведения после навивки только низкотемпературного отпуска при температуре 300-320 ˚С, а после горячей навивки или гибки рессор требуется проведение упрочняющей термической обработки, состоящей из закалки и среднетемпературного отпуска при температурах 400-500 ˚С.

Термическая обработка подшипниковых сталей состоит из закалки с температуры 830-840 ˚С с низкотемпературным отпуском при 160-200 ˚С. При этом достигается твердость не ниже HRC 62.

Высокую размерную стабильность при высокой износостойкости можно получить на сталях ХВГ, ХГС, 9ХС. Термическая обработка включает закалку и низкотемпературный отпуск при 160-180 ˚С. Между закалкой и отпуском проводят обработку холодом при температуре от минус 70 до минус 196 ˚С. После шлифовки и полировки инструментов в требуемый размер проводят стабилизирующее старение при температуре 140-160 ˚С с выдержкой, не менее 12 - 24 часов.

К нетеплостойким относятся стали углеродистые и малолегированные, с содержанием легирующих элементов в сумме не более 3 - 4%. К полутеплостойким относятся стали, легированные хромом с содержанием его от 4 до 18%. Теплостойкие стали - это высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт в суммарном количестве до 20-25%. Такие стали называются быстрорежущими.

Углеродистые стали в данном разделе не рассматриваются. К нетеплостойким низколегированным маркам относятся стали: 7ХФ; 8ХФ; 9ХФ; 11ХФ; 13Х; ХВ4; В2Ф; 9Х1; Х; 9ХС; ХГС; 12Х1; 9ХВГ; ХВГ; ХВСГ. В табл.6.2. приведены сведения о некоторых марках низколегированных инструментальных сталей.

В качестве предварительной термической обработки используют изотермический отжиг при температурах, соответствующих по классификации неполному отжигу (750-800ºС для разных марок), со ступенчатым режимом охлаждения с температурой ступени 620-700ºС. Окончательная термическая обработка предусматривает закалку с низкотемпературным отпуском от 130-150 до 210-250ºС. Температура отпуска определяется требуемой твердостью инструментов.

- высокопрочных комплекснолегированных сталей повышенной теплостойкости: 8Х4В3М3Ф2, 8Х4В2С2МФ;

- экономно легированных сталей с повышенной ударной вязкостью: 7ХГ2ВМ и 7Х3ВМФС. В табл. 5.3 приведены сведения о некоторых из указанных марок.

В качестве предварительной термической обработки сталей первой подгруппы используют изотермический отжиг при температурах, соответствующих по классификации неполному отжигу (830-870ºС в зависимости от марки стали), со ступенчатым режимом охлаждения с температурой ступени 700-740ºС. Окончательная термическая обработка предусматривает закалку с температур от 950-980ºС для стали Х12 до 1030-1050ºС для стали Х12Ф1 с отпуском при различных температурах от 180-200 до 400-420ºС, в зависимости от требуемой твердости, соответственно, от HRC 60-62 до 57-58.

В ряде случаев, стали типа Х12 могут использоваться для изготовления штампов горячего деформирования. В этом случае их подвергают закалке с повышенных температур 1115-1130ºС, в масло с последующим 3-5-кратным отпуском при температуре 500-520ºС. При этом достигается твердость HRC59-62 и высокий уровень теплостойкости.

Стали второй подгруппы (представитель 8Х4В3М3Ф2, в таблице 6.3) при окончательной термической обработке закаливаются с температуры 1155-1175ºС, в масло с трехкратным часовым отпуском при 550-560ºС, что обеспечивает получение вторичной твердости HRC60-61, достаточной теплостойкости, и позволяет использовать их для изготовления режущих инструментов при обработке дерева.