Классификация маркировка и применение сталей ТАМ Принципы

Классификация, маркировка и применение сталей ТАМ

Принципы классификации сталей. • Вида классификации сталей • по химическому составу • способу выплавки или степени раскисления • по структуре в отожженном или нормализованном состоянии • по качеству • по назначению.

Классификация по химическому составу железоуглеродистые сплавы можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. Углеродистые сплавы не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество должно определяться пределами, регламентируемыми для примесей соответствующими нормативами и ГОСтами. • Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др. • Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки.

По химическому составу По составу углеродистые Содержание углерода (углеродистые) Название группы сталей или легированных элементов (легированные) в сталях низко 0, 3 - 0, 7 % средне- более 0, 7 % легированные менее 0, 3 % высокоуглеродистые 2, 5 - 5, 0 %; на низко-, 5, 0 - 10 % средне- более 10 % высоколегированные. Σ л. э>50 % легированный сплав (железоникелевая или никелевая основа)

Классификация сталей по легированности Количество легирующих элементов Название группы сталей Σ л. э=0 углеродистая (все элементы, кроме углерода, являются примесями) Σ л. э<2, 5 % низколегированная Σ л. э=2, 5 -10 % среднелегированная Σ л. э=10 -50 % высоколегированная Σ л. э>50 % легированный сплав (железоникелевая или никелевая основа) Отражение в маркировке 1. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита. 2. Количество легирующих элементов указывается в целых процентах

Классификация сталей по способу производства • Раскисление – это процесс удаления кислорода из жидкого металла. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием или алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали получаются при раскислении только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при раскислении окислов железа взаимодействуя с углеродом, образует угарный газ – СО. Выделение пузырей этого газа создает впечатление кипения стали. . Данные стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми, с малым содержанием кремния (менее 0, 007 %). Полуспокойные сплавы занимают промежуточное состояние между двумя первыми. Легированные стали бывают только спокойными, а углеродистые всех трех типов. Все эти виды сплавов при равном содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их отличие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. • В результате снижения концентрации кремния в феррите кипящих сплавов они становятся мягкими. Из-за большого содержания газов, особенно азота, они склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода повышает их порог хладноломкости. Кипящие стали становятся хрупкими уже при -10 С, тогда как спокойные могут работать до – 40 С.

Классификация сталей по способу производства Содержани е кремния Si<0, 05% Название группы сталей сталь кипящая Si=0, 050, 15% сталь полуспокойная Si=0, 150, 35% сталь спокойная Отражение в маркировке кп пс сп

Классификация сталей по структуре в отожженном (равновесном) состоянии Вид сталей Структура доэвтектоидные избыточный феррит эвтектоидные перлит заэвтектоидные, вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита ледебуритные, первичные (эвтектические) карбиды ферритные – Малое содержание углерода, большое количество ферритообразующих легирующих элементов (свыше 13 % хрома или более 2, 5 % кремния) аустенитные большая концентрация марганца и никеля и мартенситные среднелегированные

Классификация сталей по структуре после охлаждения на воздухе (нормализация) Вид стали перлитные Отношение к составу Углеродистые Отношение к составу Легированные бейнитные Углеродистые Легированные мартенситные Углеродистые Легированные ледебуритные Легированные ферритные Легированные аустенитные Легированные

Классификация сталей по структуре • Стали мартенситного типа отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита; при охлаждении они закаливаются на мартенсит. К данному классу относятся средне- и высоколегированные сплавы. Аустенитные стали – это в основном высоколегированные никелевые или марганцовистые (+ хромистые).

Классификация сталей по качеству • Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность химсостава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород. • Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.

Классификация сталей по качеству Содержание серы и фосфора Название группы сталей S=0, 055 -0, 06 % P=0, 05 -0, 07 % сталь обыкновенного качества Отражение в маркировке S = 0, 035 % P = 0, 035 % сталь качественная S = 0, 025 % P = 0, 025 % сталь высококачественная А S = 0, 015 % P = 0, 015 % сталь особовысококачественная Ш

Классификация железоуглеродистых сплавов по назначению Содержание углерода Название группы сталей С<0, 2% для сварных конструкций, и цементуемых деталей 0, 3<С<0, 5 % 0, 5<С<0, 7 % 0, 7<С<2, 5 % для упругих элементов машин (рессорно-пружинная сталь) 2, 5<С<4, 0 % литой или наплавочный материал для работы в условиях абразивного изнашивания (чугун) для силовых деталей машин для режущего, мерительного и деформирующего инструмента Отражение в маркировке

Маркировка сталей • • Обозначение марок - буквенно-цифровое. Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380 -88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д. Группа А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического заводаизготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой. Стали типа Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО. Сплавы группы В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций. Степень раскисленности, обозначают буквами кп - кипящие, пс - полуспокойные и сп спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 - Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6. При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2 кп или ВСт. Зпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.

• • • В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0, 04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам. Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050 -74 и ГОСТ 4543 -71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности - буквами, например сталь 10 кп (это 0, 10 % С, кипящая); 20 пс (0, 20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится. Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435 -74) маркируются буквой У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента - 0, 7 - 1, 5 %, например У 7, У 7 А, У 13 А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0, 035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву А. например У 7 А, У 13 А, У 10 А.

• • • В легированных сплавах (ГОСТ 5632 -72, ГОСТ 20072 -74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром - X, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан – Т, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий - К, бор – Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах, округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1, 0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1, 5 до 2, 0 %. Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1, 0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18 ХГТ содержит около 0, 18 % углерода; 1, 0 % хрома, 1, 0 % марганца и около 0, 1 % титана. У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15 X 17 ATI 4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30 ХГСА. Буква А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А 35 Г 2. Нестандартные сплавы обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе «Электросталь» (буква Э), исследовательская (буква И) или пробная (буква П), например ЭИ 395, ЭП 398 и т. п. Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0, 015 % серы и 0, 025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.

Применение • 1) Конструкционные углеродистые стали. На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема производства стали. Эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Недостатки: менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает деформацию и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями, их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность. Главный недостаток: небольшая прокаливаемость (т. е. способность закаливаться на определенную глубину). Поэтому крупные детали изготавливают без термического упрочнения – в горячекатанном или нормализованном состоянии. По статической прочности они относятся к сталям нормальной прочности. • Углеродистые стали обыкновенного качества (общего назначения) всех трех групп (А, Б, В) предназначены для изготовления различных строительных металлоконструкций (сварные фермы, рамы), а так же слабонагруженных деталей машин и приборов (валы, оси, зубчатые колеса). Это горячекатанная сталь, поступающая с металлургических заводов в виде проката (прутки, балки, листы, трубы, ленты и т. д. ). Наиболее распространенная сталь Ст3 сп имеет следующие характеристики: σв = 380 -490 МПа σ0, 2= 210 -250 МПа, δ = 25 -22% • Кипящие стали Ст1 кп, Ст2 кп, Ст3 кп, содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30 -40 о. С выше, чем стали спокойные (Ст1 сп, Ст2 сп, Ст3 сп и др. ): • Ст3 кп – порог хладноломкости t 50 = -10 о. С; Ст3 сп – порог хладноломкости t 50 = -50 о. С • Поэтому для ответственных сварных конструкций, а так же для суровых климатических условий применяются спокойные стали.

Применение • Углеродистые качественные стали. Эти стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным хим. составом и механическими свойствами. • - Низкоуглеродистые стали подразделяют на 2 группы • 1) 05, 08, 10 – малопрочные, высокопластичные σв = 280 -330 МПа δ = 33 -45% • Они способны к глубокой вытяжке, поэтому их применяют для холодной штамповки различных изделий. Если углерода более 0, 1% возможны только незначительная вытяжка или гибка. Чаще всего для глубокой вытяжки используют сталь 08 кп (детали кузова автомобилей, корпус приборов и др. ). Кипящие легче штампуются, т. к. в них почти нет кремния, который сильно упрочняет феррит и затрудняет его деформируемость. • 2)Цементуемые стали 15, 20, 25 – предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и др. ), от которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхность после цементации (насыщения поверхности углеродом) упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Эти стали применяют так же горячекатанными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются. Характеристики: σв = 380 -460 МПа δ = 27 -23%. • Среднеуглеродистые стали (улучшаемые) – 30, 35, 40, 45, 50, 55. Они более прочные, но менее пластичны. После улучшения (т. е. закалка + высокий отпуск на сорбит) достигается высокая прочность, вязкость и пластичность: • σв = 500 -600 МПа σ0, 2 =300 -360 МПа δ = 21 -16% (в нормализованном состоянии) • σв = 600 -700 МПа σ0, 2 =400 -600 МПа δ = 19 -20% (после улучшения). • Стали этой группы применяют для изготовления деталей небольшого размера (зубчатые колеса, маховики, оси)

Применение • Высокоуглеродистые – стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 применяют в качестве рессорно-пружинных. Термообработка: закалка + средний отпуск на троостит для получения высокой прочности и упругости σв>800 МПа. • 2) Легированные конструкционные стали. Легированные стали производят качественными, высококачественными или особовысококачественными. Их применяют после закалки и отпуска, так как в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых. • Низкоуглеродистые низколегированные стали содержат до 0, 2%С и до 2 -3% недефицитных легирующих элементов. Их упрочнение основано на легировании феррита марганцем и кремнием. К этой группе относятся: • Марганцовистые: 14 Г, 19 Г, 09 Г и др. • Марганцовокремнистые : 12 ГС, 09 ГС, 10 Г 2 С 1 и др. • Стали применяют в строительстве для сварных конструкций, в качестве арматурных сталей и машиностроении σв≈ 400 МПа. • Цементуемые стали применяют для небольших деталей, работающих при средних нагрузках σв≈ 700 - 750 МПа. • Хромистые – 15 Х, 20 Х • Хромованадиевые – 15 ХФ • Хромоникелевые – 12 ХН 3 А, 20 ХН, 12 Х 2 Н 4 А, 20 Х 2 Н 4 А применяют для крупных деталей ответственного назначения (σв≈ 1000 -1300 Мпа) • Хромоникельмолибденовые, хромоникельвольфрамовые – 18 Х 2 Н 4 МА, 18 Х 2 Н 4 ВА имеют высокие механические свойства (σв≈ 1150 МПа). Применяют для крупных деталей особо ответственного назначения. • Среднеуглеродистые легированные –улучшаемые - содержат углерода 0, 30, 5%

Применение • Хромистые 40 Х, 50 Х –дешевые, изготавливают детали небольшого сечения (1525 мм), без динамических нагрузок. • Хромомарганцовокремнистые – хромансиль 30 ХГСА • Хромоникелевые – 40 ХН прокаливается на глубину 40 -50 мм • Хромоникельмолибденовые – 40 ХНМА, 38 ХН 3 МА – глубокопрокаливающиеся стали, практически в любом сечении. Закаливаются на воздухе, обладают малой склонностью к хрупкому разрушению, хорошо работают при динамических нагрузках и в условиях пониженных температур. Изготавливают: ответственные детали – валы и роторы турбин, детали компрессорных машин. Недостатки: высокая стоимость, пониженная обрабатываемость резанием. • Легированные высокопрочные стали. К наиболее распространенным высокопрочным сталям относятся: • 30 ХГСНА, 40 ХГСН 3 ВА, 40 ХН 2 СМА и др. σв=1850 – 2000 МПа • Используют в самолотеостроении (шасси, оболочка космических летат. аппаратов), для силовых сварных конструкций.

Применение • Сюда же относятся улучшаемые легированные среднеуглеродистые стали (30 ХГСА, 40 ХНМА и др. ), упрочненные термомеханической обработкой (ТМО – т. е. нагрев – пластическая деформация – закалка – отпуск) σв= 2000 – 2800 МПа при достаточной пластичности и вязкости. • Мартенситно-стареющие стали – это безуглеродистые ( углерода не более 0, 03%) сплавы железа с никелем (8 -25%), легированные Co, Mo, Ti, Al, Cr и др. Закалка фиксирует пересыщенный железоникелевый мартенсит. При 480 - 520 о. С происходит старение, когда из мартенсита выделяются частицы мелкодисперсных фаз, получается прочность σв=2100 -2500 Мпа. , при этом оставаясь вязкими и надежными. Применение: в авиации, ракетной технике, судостроении и приборостроении: • Инструментальные стали предназначены для изготовления инструментов 4 -х типов: • режущих, измерительных, штампов холодного деформирования и штампов горячего деформирования. • Важнейшее условие работоспособности инструментов – высокая износостойкость, а так же высокая твердость (в 2 -3 раза большей, чем у обрабатываемого материала), прочностью и теплостойкостью (т. е. способностью сохранять высокую твердость при повышенных температурах, т. к. происходит нагрев режущей кромки). Для сталей теплостойкость определяется сопротивлением разупрочнению при отпуске (т. е. максимальная температура, до которой сохраняется мартенситная структура). Для штампов важна ударная вязкость.

Применение • Стали для режущего инструмента. • Углеродистые стали – стали У 7, У 8, У 9. Теплостойкость до 200 о. С. Твердость после закалки в воде HRC= 60 -62. Обладают достаточной вязкостью, поэтому их применяют для инструментов, подвергающихся ударам: зубила, ножницы и ножи по металлу, столярные инструменты и др. • Из сталей У 10, У 11, У 12, У 13 изготавливают сверла, напильники, пилы, метчики, фрезы и др. • У 12, У 13 – для инструментов с максимальной износостойкостью – зубила для насечки напильников, граверный инструмент (HRC= 62 -64). • Низколегированные стали – содержат до 5% легирующих элементов. Хром – постоянный легирующий элемент. Для улучшения свойств вводят марганец, кремний, вольфрам. HRC= 62 -69. Эти стали, так же как и углеродистые, обладают теплостойкостью до 200 о. С, поэтому их применяют для небольших скоростей резания. Из них изготавливают инструменты более крупных размеров и более сложной формы. • ХВ 4 - алмазная сталь – для чистовой обработки твердых материалов. Стали Х, 9 ХС, ХВГ, ХВСГ – применяют для фрез, сверл, резьбонарезных и других инструментов с поперечным сечением 35 -100 мм. • Быстрорежущие стали – высоколегированные стали, теплостойкость до 560640 о. С, для высоких скоростей резания. Р 18, Р 9 (цифра указывает содержание вольфрама – основного легирующего элемента). • Стали для измерительного инструмента • Основные свойства: высокая износостойкость, постоянство размеров и формы в течение длительного времени. Наиболее широко применяют стали Х, ХГ, ХВГ, 9 ХС и др.

Применение • Стали для инструментов холодной обработки давлением. • Инструменты, работающие при небольших ударных нагрузках : У 10, У 11, У 12, низколегированные Х, 9 ХС, ХВГ, ХВСГ • Для крупных инструментов сложной формы Х 12, Х 12 М, Х 12 Ф 1. • Стали для инструментов горячей обработки давлением. • Используют низколегированные стали с повышенной ударной вязкостью и теплостойкостью. 5 ХНМ , 3 Х 2 В 8 Ф, 4 Х 2 В 5 МФ. • Специальные стали (с особыми свойствами). • 1)Автоматные стали – стали с улучшенной обрабатываемостью резанием с повышенным содержанием серы. свинца, фосфора и др. элементов. Обозначение : А 11, А 12, А 20, А 30, А 35. Они содержат серы до 0, 3%, а фосфора – до 0, 15%. • 2) Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали. Эти стали обладают высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах. В них добавляют хром (1227%), в некоторых случаях и никель (2, 8 – 11%). Наибольшую коррозионную стойкость сталь приобретает после термической обработки: закалка с 10001100 о. С в масле с отпуском при 700 -750 о. С. • Хромистые стали – 12 Х 13, 40 Х 13, 12 Х 17 – применяют для слабо агрессивных сред.

Применение • Хромоникелевые стали – 12 Х 18 Н 9, 17 Х 18 Н 9, 12 Х 18 Н 9 Т – для окислительных сред • 3) Жаропрочные стали – способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах (450 -700 о. С) в течение определенного времени. Они используются для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургического оборудования. Для температур 500 – 580 о. С : 16 М, 15 М, 12 Х 1 МФ • Для более высоких температур применяют сложнолегированные: 18 Х 12 ВМБФР. • 4) Жаростойкие (окалиностойкие) способны сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах. (550 -900 о. С). Жаростойкие стали содержат алюминий, хром, кремний. • 40 Х 9 С 2 – применяют для изготовления теплообменников, работающих при 850 о. С • 08 Х 17 Т – для деталей, работающих в среде топочных газов с повышенным содержанием серы (до 900 о. С) • 36 Х 18 Н 25 С 2 - для клапанов двигателей внутреннего сгорания большой мощности (до 1100 о. С). • 5) Хладостойкие стали: • Углеродистые: обыкновенного качества от – 20 до – 50 о. С • Качественная и низколегированная от – 30 до – 60 (09 Г 2 С) • Легированные: никелевая с 6% никеля от – 100 до – 150 о. С • С 9% никеля от – 150 до – 196 о. С • Хромоникелевая 12 Х 18 Н 10 Т от – 253 до – 269 •

Прменение • автоматные стали – с улучшенной обрабатываемостью резанием с повышенным содержанием серы (0, 08 – 0, 3%) и фосфора (0, 06%). Марки: А 12, А 20, А 30 и др. Цифра указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Изготавливают винты, болты, гайки и др. • Стали с высокой технологической пластичностью. У этих сталей невысокий предел текучести σт и большие значения относит. удлинения δ. Марки: стали 05, 08, 10 всех видов раскисления.

Вид чугуна Белые Серые Форма углерода Цементит Fe 3 C Чугуны Маркировка применение Свойства Не применяются очень твердые и хрупкие Доэвтектические чугуны После термической обработки превращаются в ковкие чугуны, а заэвтектические идут в переплавку Пластинча- СЧ 15, детали простой Пластинки графита – тый графит (σв конфигурации: надрезы или трещины, при растяжении крышки, стойки, Поэтому серые чугуны 150 МПа, кожухи, плохо сопротивляются зубчатые колеса растяжению, имеет низкую и др. прочность и пластичность. При мягких видах нагружения (изгиб, сжатие) влияние графита меньше. Поэтому чугуны используют для деталей, работающих на сжатие.

Чугуны Вид чугуна Форма углерода Высоко- Графит прочные шаровидный ковкие Маркировка применение ВЧ 38 -17 замена стали: (σв=380 МПа Оборудование δ = 17%) прокатных станов, коленчатые валы, поршни и др. ответственные детали. Хлопьевид- КЧ 30 – 6 ный графит детали высокой прочности, работающие в условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки (подшипники, кронштейны, картеры редукторов, поршни, ступицы). Свойства Модифицированный магнием жидкий серый чугун. Шаровидный графит – менее сильный концентратор напряжений.