Сталь. Виды, классификация, характеристики сталей

1. Классификация сталей

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет 2,14 % (теоретически). На практике концентрация углерода составляет не более 1,5 %. Кроме углерода в стали находятся постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор и другие химические элементы. Производство стали заключается во вторичной переработке передельного белого чугуна различными способами: мартеновским, конвертерным, электроплавкой и др. Сущность производства стали заключается в удалении углерода и других химических элементов в процессе плавки шихты, состоящей из жидкого или чушкового чугуна, стального лома, железной руды и известняка. Плавку производят в различных сталелитейных агрегатах: мартеновских печах, конвертерах, электродуговых, электроиндукционных и в других металлургических агрегатах.

Наряду с чугунами сталь также является основным конструкционным материалом в машиностроении и других отраслях промышленного производства.

В обычных условиях применяются простые углеродистые стали; при высокой температуре и активной среде — специальные легированные стали (например, для изготовления насоса для перекачки кислот, механизмов, работающих в морской воде, и др.).

В связи с этим черная металлургия нашей страны выпускает стали с различными физико-химическими и механическими свойствами. Все отрасли промышленности получают от металлургов стали различных марок, сортаментов и наименований. Запомнить это многообразие сталей, поставляемых металлургами, практически невозможно, поэтому наука о металлах — металловедение — классифицирует все выпускаемые стали по различным признакам. Каждый квалифицированный рабочий должен не только запоминать отдельные марки сталей, а знать принципы классификации этих сталей (рис. 1).

Рис. 1. Классификация сталей

По химическому составу стали и сплавы подразделяются на две большие группы: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углерод и постоянные примеси, присущие железоуглеродистым сплавам. Другие химические элементы в углеродистых сталях отсутствуют. Углеродистые стали по массовой доле углерода подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (0,3 … 0,6 % углерода) и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода). Легированные стали кроме углерода содержат различные химические элементы, как металлы, так и неметаллы. Эти элементы вводятся в процессе плавки для получения более высоких физикохимических и механических свойств, чем в углеродистых сталях.

Легировать — значит сплавлять, соединять, поэтому химические элементы, вводимые в сталь, называются легирующими элементами, а стали, сплавленные с ними, получили название легированных сталей.

Качество сталей зависит от особенностей металлургических процессов, перерабатываемого сырья, вида плавки и других факторов. Эти факторы определяют химический состав сталей, наличие в них вредных примесей — серы и фосфора, а также наличие различных газов: азота, водорода и кислорода. Вредные примеси и присутствующие в них газы придают сталям отрицательные физико-химические и механико-технологические свойства, т. е. ухудшают их качество. В связи с этим по качеству стали, как углеродистые, так и легированные, подразделяются на четыре группы: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные.

Стали обыкновенного качества содержат 0,045 … 0,060 % серы, 0,04 … 0,07 % фосфора.

Качественные стали изготавливаются с массовой долей серы не более 0,04 %, фосфора — 0,035 … 0,040 %. Качественные стали бывают как углеродистые, так и легированные.

Высококачественные углеродистые и легированные стали содержат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора.

Особовысококачественные стали имеют массовую долю серы не более 0,015 %, фосфора — не более 0,025 %. Легированные особовысококачественные стали получают методами электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

По назначению углеродистые и легированные стали и сплавы подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные стали, как углеродистые, так и легированные, идут на изготовление различных деталей машин, сварных строительных конструкций и т. д. К этим сталям предъявляются определенные требования по химическому составу, механическим, технологическим, эксплуатационным и химическим свойствам. Это могут быть цементуемые, улучшаемые и высокопрочные стали. Одни из этих сталей подвергаются химико-термической обработке, другие — только термической обработке. По технологическим признакам конструкционные стали подразделяются на штампуемые, свариваемые, литейные и высокой обрабатываемости резанием (автоматные). По назначению эти стали могут быть рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, магнитные, электротехнические, строительные и др.

По химическим свойствам конструкционные стали подразделяются на коррозионно-стойкие, кислотостойкие, окалиностойкие и др. В зависимости от химической стойкости эти группы сталей выпускаются конструкционные и специального назначения.

К конструкционным углеродистым сталям относятся стали обыкновенного качества (марок Ст0, Ст1 и т. д.), а также качественные стали (марок 05, 10, 15 и т. д.). К легированным конструкционным сталям относится большая группа низко- и среднелегированных сталей, подвергаемых химико-термической и термической обработке (например, 20Х, 15Г, 15ХФ, 40Х, 45ХН и др.).

Инструментальные углеродистые и легированные стали идут на изготовление режущего, измерительного и ударного инструмента, штампов для деформирования в горячем и холодном состоянии. К инструментальным углеродистым и легированным сталям предъявляются высокие требования по прокаливаемости, красностойкости, стойкости (время работы от заточки до заточки) и др.

Специальные легированные стали и сплавы — это, как правило, конструкционные материалы со специальными свойствами. К ним относятся коррозионно-стойкие, жаростойкие, магнитные, электротехнические, с высоким электрическим сопротивлением, теплостойкие стали и др. Эту группу составляют высоколегированные стали и сплавы, имеющие массовую долю легирующих элементов свыше 10 %. Для легирования применяют хром, никель, марганец и др. Применение тех или иных легирующих элементов определяется требуемыми свойствами. Например, коррозионностойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %, жаростойкие — в зависимости от требуемой температуры — 9 … 17 % хрома, 2 % кремния. Отдельные марки, кроме того, содержат никель или титан (например, 40Х9С2, 06Х17Г и др.).

По способу раскисления стали подразделяются на три категории: кипящие, спокойные и полуспокойные.

Раскисление — это процесс удаления из стали в жидком состоянии оксида железа (FеО), который образуется в процессе плавки и придает стали активную склонность к коррозии. Кроме того, в процессе раскисления из стали в жидком состоянии удаляются азот и водород. Раскисление производят путем добавки перед выпуском стали в разливочный ковш кремния, марганца или алюминия в зависимости от требуемой степени раскисления.

Практически установлено, что при наличии в стали кислорода, вступившего в реакцию с железом (FеО), при горячей деформации образуется высокая хрупкость. Кроме того, оксид железа способствует понижению прочности при отрицательных температурах и образует высокую склонность к межкристаллитной коррозии.

Кипящие стали раскисляют марганцем. При охлаждении стали в изложницах выделяются газы, которые создают ложное впечатление, что сталь при затвердевании кипит. Кипящие стали производят как обыкновенного качества, так и качественными. Как правило, эти стали бывают низкоуглеродистыми.

Спокойные стали раскисляют алюминием, марганцем и кремнием. В этих сталях кислород практически полностью вступает в реакцию с раскислителями, всплывает вверх и удаляется со шлаком. При охлаждении они затвердевают спокойно, без газовыделения. Все легированные качественные и углеродистые стали выпускаются спокойными.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными сталями. Их раскисляют марганцем и алюминием. Полуспокойные стали выпускают только углеродистыми.

На структуру стали большое влияние оказывают массовая доля углерода, легирующие элементы и состояние поставки. В связи с этим по структуре стали классифицируются в отожженном (равновесном) и нормализованном состоянии.

В отожженном состоянии структура сталей подразделяется на шесть классов:

• доэвтектоидные — структура феррита и перлита (см. рис. 2, а);
• эвтектоидные — структура перлита (см. рис. 2, б );
• заэвтектоидные — структура перлита и цементита;
• ледебуритные — структура первичного ледебурита или карбида (рис. 2, в);
• аустенитные — структура твердых растворов, перенасыщенных углеродом (рис. 2, г);
• ферритные — структура твердых растворов со слабо насыщенным углеродом.

Рис. 2. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в отожженном состоянии: а — ферритная; б — ферритно-перлитная; в — легированная ледебуритная сталь; г — легированная аустенитная сталь

Рис. 3. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в нормализованном состоянии: а — сталь ферритного класса; б — сталь перлитного класса; в — сталь мартенситного класса

Углеродистые стали имеют структуру первых трех классов, легированные — всех шести классов. Ледебуритные, аустенитные и ферритные классы структур образуются при введении в состав никеля, ванадия, вольфрама и других легирующих элементов. При определенном сочетании возможно образование промежуточных классов структур, например полуферритных, полуаустенитных и др.

В нормализованном состоянии стали имеют четыре класса структур: ферритные, перлитные, мартенситные (рис. 3) и аустенитные.

Структура стали ферритного класса неустойчивая. В зависимости от скорости охлаждения на воздухе эта сталь может приобрести структуру перлита, троостита или сорбита. К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стали.

Низкоуглеродистые стали с массовой долей углерода до 0,15 %, легированные хромом (12 … 15 %), образуют устойчивую структуру феррита. При нагревании и охлаждении этот класс сталей свою структуру не меняет.

Стали мартенситного класса имеют высокую устойчивость, при охлаждении образуют твердую мелкодисперсную структуру. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса образуются при высокой массовой доле никеля и марганца в сочетании с хромом. Стали этого класса имеют высокую ударную вязкость.

2. Углеродистые конструкционные стали

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества (общего назначения). Сталь углеродистая обыкновенного качества (общего назначения) по ГОСТ 380—2005 выпускается в виде различного горячекатаного проката (Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст5Гсп, Ст6пс и др.).

Буквы Ст в маркировке сталей обозначают сталь обыкновенного качества; буква Г — повышенное содержание марганца. Буквы кп (сталь кипящая), пс (сталь полуспокойная), сп (сталь спокойная) обозначают способ раскисления. Цифры, стоящие после букв Ст, обозначают условный номер марки в зависимости от массовой доли химических элементов и механических свойств стали. Чем больше номер, тем больше углерода и других химических элементов в стали, а также выше ее механические свойства. В обычных марках массовая доля основного сплавляемого химического элемента (углерода) — 0,06 … 0,49 %, марганца — 0,25 … 0,65 %. При повышенном содержании марганца (0,8 … 1,1 %) сплав содержит 0,1 … 0,3 % кремния и по 0,05 … 0,06 % серы и фосфора. Кроме этих химических элементов углеродистые стали обыкновенного качества содержат хром, никель, медь в пределах 0,3 … 0,4 %, а отдельные марки сталей, выплавляемых из Керченских руд, содержат 0,08 % магния. Это случайные примеси, и в маркировке эти химические элементы не указываются.

Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества имеют прочность σ_в = 310 … 600 МПа (31 … 60 кгс/мм2); твердость в состоянии поставки 103 … 158 НВ; относительное удлинение δ = 15 … 35 %.

Эти стали хорошо свариваются, куются, штампуются и обрабатываются резанием. Закалке не подвергаются. Улучшение механических свойств деталей машин, изготовленных из этих сталей, производят путем цементации и только после этого осуществляют закалку с последующим отпуском. Температуру нагрева для закалки цементированных деталей выбирают в зависимости от диффузии углерода.

Стали марок Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2Гпс, Ст2сп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс и Ст3Гсп поставляются с гарантией свариваемости. В этом случае в нормативно-технической документации после марки указываются буквы св.

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества применяется для изготовления сварных строительных конструкций, крепежных изделий, малонагруженных деталей машин, а также стандартных и нормализованных деталей: рукояток, кнопок, ручек, заглушек, пробок, петель шарнирных и т. д. (табл. 1).

Углеродистая конструкционная качественная сталь. Качественная углеродистая конструкционная сталь выпускается в виде различного сортового горячекатаного и калиброванного проката (ГОСТ 1050—88*) следующих марок: 05кп, 08кп, 08пс, 10пс, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 и 60. Сталь этой группы выпускается также в виде проката со специальной отделкой поверхности (серебрение) диаметром (или толщиной) до 250 мм.

Цифры в маркировке углеродистой конструкционной качественной стали указывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Например, сталь марки 05кп содержит не более 0,06 % углерода, сталь 10 — 0,07 … 0,14 %, сталь 50 — 0,47 … 0,55 %. Буквы кп, пс обозначают способ раскисления (кп — кипящие, пс — полуспокойные). В марках, где способ раскисления не указан, сталь спокойная. Сталь марки 58 (55п) — пониженной прокаливаемости, имеет массовую долю марганца 0,1 … 0,3 %.

Углеродистая качественная сталь содержит 0,05 … 0,65 % углерода, до 0,37 % кремния, 0,25 … 0,50 % (группа низкоуглеродистых сталей) или 0,5 … 0,8 % (группа среднеуглеродистых сталей) марганца. Серы во всех качественных сталях содержится не более 0,04 %, фосфора — не более 0,035 %. Кроме того, в сталях этой группы имеется медь и никель, массовая доля которых не должна превышать 0,25 % для каждого элемента.

Таблица 1. Области применения углеродистой конструкционной стали обыкновенного качества (общего назначения)
Марка стали	Область применения
Ст0 Ст1	Тонколистовая сталь; кровельная сталь; ограждающие кожухи и т. д.
Ст4 Ст5 Ст6	Детали машин, подвергаемые цементации: mшестерни, звездочки, валы, оси, кронштейны, рычаги и т. д.
Ст2 Ст3 Ст4	Неответственные сварные конструкции, крепежные детали, винты, болты, шпильки, шайбы, гайки, шплинты, заклепки, гвозди, шурупы
Ст5 Ст6	Стандартизованные детали: рукоятки, кнопки, ручки, заглушки, пробки, оседержатели, петли шарнирные, скобы для скрепления труб и т. д.

В состоянии поставки без термической обработки углеродистая конструкционная качественная сталь имеет следующие механические свойства: твердость по Бринеллю 131 … 255 НВ, предел прочности при растяжении σ_в = 330 … 690 МПа (33 … 69 кгс/мм2), относительное удлинение δ до 33 % и относительное сужение Ψ = 35 … 60 %. Механические свойства зависят от массовой доли углерода и состояния проката. Нагартованная сталь имеет более высокие твердость и прочность и пониженную пластичность. Марки сталей с минимальной массовой долей углерода имеют низкие величины механических свойств. С увеличением массовой доли углерода повышаются механические свойства.

По механическим свойствам сталь этой группы подразделяется на категории 1, 2, 3, 4 и По состоянию проката сталь поставляется без термической обработки, термически обработанная (Т) и нагартованная со специальной отделкой поверхности (Н).

В зависимости от вида обработки горячекатаная и кованая сталь подразделяется на подгруппы:

• для горячей обработки давлением — подгруппа а;
• для холодной механической обработки — подгруппа б;
• для холодного волочения (подкат) — подгруппа в.

Качество поверхности калиброванной стали по ГОСТ 1051—73* подразделяется на группы Б и В.

Сталь со специальной отделкой поверхности по ГОСТ 14955—77* подразделяется на группы В, Г и Д. Группа стали зависит от класса шероховатости поверхности.

Сортовая горячекатаная сталь производится в виде прутков круглого, квадратного, шестигранного и прямоугольного сечений. Сортовая круглая сталь по ГОСТ 2590—2006 диаметром от 4 до 250 мм выпускается трех классов точности проката: В — высокой, Б — повышенной, Д — обычного класса.

Сортовая квадратная сталь со стороной квадрата от 5 до 200 мм поставляется в прутках и мотках трех классов точности: А, Б и В. Шестигранная сталь размером под ключ от 8 до 100 мм выпускается двух групп точности: П(Б) и В.

Полосовая сталь (ГОСТ 103—76*) выпускается двух групп:

• повышенной точности — А,
• нормальной точности — Б.

Сталь кованая круглая и квадратная (ГОСТ 1133—71) изготавливается диаметром или шириной квадрата от 40 до 200 мм.

Сортовая калиброванная сталь имеет более точные размеры по сечению и шероховатости поверхности.

Подгруппы, группы и классы стали указываются в нормативнотехнической документации, сопровождающей поставку.

Низкоуглеродистая сталь имеет высокую штампуемость, ковкость и свариваемость, а также обрабатываемость резанием. Эта группа сталей закалке не подвергается. Улучшение механических свойств деталей машин, изготовленных из низкоуглеродистых сталей, производят методом химико-термической обработки (цементация). Среднеуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,3 % и более, кроме того, хорошо воспринимает закалку, отпуск и нормализацию. У всех марок улучшаемых сталей этой группы практически отсутствует склонность к отпускной хрупкости.

Из низкоуглеродистых качественных сталей марок 05, 08кп, 08пс, 10, 10пс, 10кп и 11кп изготавливают детали штамповкой и холодной высадкой: трубки, прокладки, колпачки, крепежные детали, шайбы, вилки, втулки и тяги.

Стали марок 15, 18, 20, 25 всех степеней раскисления идут на изготовление малонагруженных деталей машин — валиков, втулок, пальцев, упоров, копиров, осей, шестерен и других деталей, работающих при температурах 40 … 425 °С.

Стали марок 30 — 60 идут на изготовление ответственных деталей машин, улучшаемых путем закалки с последующим отпуском и нормализацией: шатунов, коленчатых валов, шлицевых валиков, тяг, штоков, сухарей, зубчатых колес и др.

3. Углеродистые инструментальные стали

По ГОСТ 1435—99 углеродистая инструментальная сталь выпускается горячекатаной, кованой, калиброванной со специальной отделкой поверхности и для сердечников. По форме сечения сталь выпускается квадратного и круглого сечений, в том числе с радиусными (скругленными) углами и в виде полос, лент, листов, шестигранников, проволоки и специальных профилей для напильников, надфилей и др.

В зависимости от химического состава углеродистая инструментальная сталь выпускается следующих марок:

• качественная сталь — У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
• высококачественная сталь — У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А.

По назначению стали всех марок в зависимости от массовой доли хрома, никеля и меди подразделяются на пять групп:

• 1-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13) — для продукции всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты (массовая доля хрома составляет не более 0,2 %, никеля и меди — по 0,25 % каждого элемента);
• 2-я группа (У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А) — для продукции всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты (массовая доля хрома, никеля и меди — по 0,2 % каждого элемента);
• 3-я группа (У10A, У12А) — для сердечников (массовая доля хрома и меди составляет не более 0,2 %, никеля — 0,25 %);
• 4-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А и У13A) — для патентированной проволоки и ленты (массовая доля хрома составляет не более 0,1 %, никеля — 0,12 %, меди — 0,2 %);
• 5-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13) — для горяче- и холоднокатаных листов и лент, толщиной до 2,5 мм (массовая доля хрома составляет 0,2 … 0,4 %, никеля и меди — по 0,25 % каждого элемента).

Существуют стали, которые можно отнести и к 4-й, и к 5-й группе: марки У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А — для горячекатаной и кованой стали (массовая доля хрома — 0,20 … 0,35 %, никеля и меди — по 0,2 %); марки У8А, У9А, У10А — для холоднотянутой стали со специальной отделкой поверхности (массовая доля хрома — 0,3 … 0,5 %, никеля и меди — по 0,2 %).

В маркировке буква У означает, что сталь углеродистая инструментальная. Цифры, следующие за буквой У, соответствуют массовой доле углерода в десятых долях процента. Буква Г указывает на повышенное содержание марганца (0,4 … 0,6 %); буква А, стоящая в конце марки, — на то, что сталь высококачественная, имеет пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Марки стали без буквы А в обозначении — качественные.

Таким образом, массовая доля углерода в сталях этой группы составляет 0,66 … 1,34 % в зависимости от марки. Массовая доля кремния составляет 0,17 … 0,28 %, марганца — 0,17 … 0,60 %. Качественные стали содержат 0,028 % серы, высококачественные — 0,018 %. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат не более 0,015 % серы (эти стали обозначаются в конце марки буквой Ш, например У9-Ш).

Качественные стали содержат 0,03 % фосфора, высококачественные — 0,025 %.

Марки углеродистой инструментальной стали У7, У7А по диаграмме железо — цементит относятся к доэвтектоидным сталям. Они имеют структуру феррит + перлит, твердость по Бринеллю в состоянии поставки составляет 187 НВ.

Марки стали У8, У8А, У8Г, У8ГА относятся к эвтектоидным сталям. Эти стали имеют структуру перлит, твердость — 187 … 192 НВ. Марки стали У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13 и У13А — заэвтектоидные стали. Структура этих сталей — перлит и перлит + цементит, твердость — 192 … 217 НВ.

Углеродистые инструментальные стали имеют высокую ковкость. Температура начала ковки — 1 180 °С, конца — 800 °С. Сталь для закалки нагревают до температуры 750 … 840 °С и охлаждают в воде, растворе солей или масле. Твердость после закалки не менее 58 … 63 НRС. Сталь к отпускной хрупкости не предрасположена. Температура нагрева для отпуска составляет 140 … 250 °С. Из-за ограниченной свариваемости эта сталь не применяется для сварных конструкций, но при необходимости сваривается методом контактной сварки.

Углеродистые инструментальные стали находят широкое применение для изготовления слесарно-монтажного, измерительного, столярно-плотничного инструмента: зубила, долота, молотки, ножницы для резки металлов, топоры, стамески, плоскогубцы, пилы, фрезы, зенковки, калибры, сверла, надфили, напильники и т. д.

Инструмент, изготовленный из углеродистых инструментальных сталей, обладает хорошими режущими свойствами.

К недостаткам этой стали относится низкая красностойкость. При температуре 200 … 250 °С инструмент во время работы размягчается и теряет режущие свойства.

4. Легированные конструкционные стали

Легирующие элементы определяют название легированной стали или сплава. Например, хромистая, ванадиевая, хромоникелевая стали в своем составе в качестве легирующих элементов содержат соответственно хром, ванадий и хром с никелем.

Для увеличения конструктивной прочности в сталь вводят одиндва легирующих элемента. Для получения комплекса физико-химических свойств вводят несколько легирующих элементов.

Марганец — естественная постоянная примесь в углеродистых сталях (до 0,6 %). При искусственном увеличении массовой доли марганца (свыше 1 %) увеличивается твердость, износостойкость, ударная вязкость. Пластичность стали не снижается. Сам марганец нейтрализует вредное влияние серы, связывая ее.

Кремний — также постоянная примесь в сталях (до 0,4 %). С увеличением массовой доли кремния увеличиваются конструктивная прочность и упругость. Высокая массовая доля кремния придает стали специальные физические свойства, благодаря которым кремнистые стали широко используются в электротехнической промышленности. Кремний придает стали также кислото- и окалиностойкость. Высокое содержание кремния способствует распаду структуры цементита с образованием ферритно-перлитной структуры и придает стали упругость. Рессорно-пружинные стали являются, как правило, кремнистыми.

Хром повышает прочность, твердость, прокаливаемость. Пластичность хромистых сталей несколько уменьшается. Высокое содержание хрома (12 % и более) делает сталь коррозионно-стойкой и придает ей магнитные свойства. Хром является экономически дешевым, недефицитным легирующим металлом.

Никель придает стали прочность, пластичность и ударную вязкость, понижает температуру отжига, нормализации и закалки. Никелевые стали имеют высокую прокаливаемость. Никель применяется так же как активный раскислитель, способствует удалению из стали в жидком состоянии кислорода, водорода, азота, увеличивая ее плотность. Никелевые стали имеют низкий коэффициент теплового линейного и объемного расширения.

Титан повышает прочность, твердость и пластичность, а также температуру отжига, нормализации и теплостойкость (окалиностойкость) стали. При небольшом содержании титана прокаливаемость стали увеличивается, при содержании более 12 % — уменьшается.

Медь увеличивает прокаливаемость, температуру отжига и нормализации, прочность, твердость и пластичность. Придает стали коррозионную стойкость. Медь вводят главным образом в строительные стали.

Кобальт понижает прокаливаемость и пластичность. Придает теплостойкость и магнитные свойства. Увеличивает жаропрочность и ударную вязкость.

Молибден повышает прочность, твердость, износостойкость, упругость, ударную вязкость и жаропрочность, незначительно понижает пластичность, увеличивает прокаливаемость, температуру отжига, нормализации и закалки.

Вольфрам резко увеличивает твердость, износостойкость, красностойкость, прокаливаемость и жаропрочность, повышает температуру отжига, нормализации и закалки. При массовой доле вольфрама в пределах 1 % увеличивается пластичность стали.

Ванадий повышает износостойкость, твердость, прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость и температуру нагрева для отжига, нормализации и закалки.

В теплостойкие, коррозионно-стойкие и электротехнические стали вводят также редкоземельные элементы:

• лантан,
• ниодим,
• цирконий и др.

Согласно ГОСТ 5950—2000 приняты условные буквенные обозначения легирующих элементов:

• алюминий — Ю,
• азот — А,
• бор — Р,
• ванадий — Ф,
• вольфрам — В,
• кобальт — К,
• кремний — С,
• марганец — Г,
• молибден — М,
• медь — Д,
• никель — Н,
• ниобий — Б,
• селен — Е,
• хром — Х,
• цирконий — Ц,
• титан — Т,
• фосфор — П,
• редкоземельные металлы — РЗМ.

Кроме того, стандартом предусмотрены и другие обозначения отдельных групп легированных сталей:

• Р — быстрорежущие;
• Ш (в конце марки) — сталь особовысококачественная;
• Ш (впереди марки) — сталь подшипниковая;
• А (впереди марки) — сталь автоматная;
• А (в конце марки) — сталь высококачественная;
• А (в середине марки) — сталь с содержанием азота;
• Э — сталь электротехническая;
• Е (впереди марки) — сталь магнитная;
• О — сталь холоднокатаная текстурированная;
• ОО — сталь холоднокатаная высокотекстурированная;
• И — сталь исследовательская;
• П — сталь пробная;
• ЭП — сталь пробная, полученная электроплавкой.

Легированные стали выпускаются улучшаемые термической обработкой и цементуемые, т. е. подвергаемые химико-термической обработке. В основном все признаки классификации легированных сталей заложены в принципы маркировки. Рассмотрев и изучив принципы маркировки, по марке можно определить назначение стали, ее качество, химический состав, принадлежность к термически улучшаемым или цементуемым сталям.

В зависимости от основных легирующих элементов сталь легированная конструкционная по ГОСТ 4543—71* выпускается следующих групп:

• хромистая (15Х, 15ХА, 40Х, 45Х и др.);
• марганцовистая (15Г, 30Г, 10Г2, 40Г2, 50Г2 и др.);
• хромомарганцевая (16ХГ,30ХГТ, 35ХГ2 и др.);
• хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС);
• хромомолибденовая и хромомолибденованадиевая (15ХМ, 20ХМ, 30Х3МФ и др.);
• хромованадиевая (15ХФА, 40ХФА);
• никельмолибденовая (15Н2М, 20НМ);
• хромоникелевая и хромоникелевая с бором (20ХН, 40ХН, 20ХНР и др.);
• хромокремнемарганцевая и хромокремнемарганцевоникелевая (20ХГСА, 25ГСА, 30ХГС и др.);
• хромомарганцево-никелевая и хромомарганцево-никелевая с титаном и бором (15ХГН2ТА, 20ХГНР, 38ХГН, 20ХГНТР);
• хромоникельмолибденовая (18Х2Н3МА, 40ХН2А, 25Х2Н4МА и др.);
• хромоникельмолибденовая и хромоникелеванадиевая (30ХН2МФ, 20ХН4ФА и др.);
• хромоалюминиевая и хромоникелеалюминиевая с молибденом (38Х2Ю, 38Х2МЮА и др.).

Принцип маркировки легированных конструкционных сталей рассмотрим на примерах. Марка 15ХА — сталь легированная конструкционная хромистая, цементуемая, высококачественная, массовая доля углерода — 0,15 %, хрома — примерно 1 %, с пониженным содержанием вредных примесей (серы и фосфора). Марка 30ХГСН2А — сталь легированная конструкционная улучшаемая, хромокремнемарганцево-никелевая, высококачественная, массовая доля углерода — 0,3 %, хрома, марганца и кремния — по 1 %, никеля — 2 %, имеет пониженное содержание вредных примесей. Легированные конструкционные стали по ГОСТ 4543—71* по массовой доле углерода подразделяются на цементуемые и улучшаемые стали.

Цементуемые легированные стали — это низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода) и низко- и среднелегированные стали марок 15Х, 20Х, 15Г, 20Г, 10Г2, 18ХГТ, 20ХГТ и др. В связи с низкой массовой долей углерода эти стали закалке не подвергаются. С целью улучшения механических свойств поверхностей деталей их насыщают углеродом (цементация). После цементации производится закалка с последующим отпуском. После закалки и отпуска поверхность деталей имеет высокую износостойкость, твердость 58 … 63 НRС и прочную и вязкую сердцевину.

Улучшаемые легированные стали — это среднеуглеродистые (массовая доля углерода — более 0,3 %) и среднелегированные стали марок 30Х, 30Г 35Х, 38ХА, 40Х, 50Х, 50Г, 50Г2, 30ХГТ и др. Повышение механических свойств улучшаемых легированных сталей производят путем закалки и последующего отпуска.

Легированные стали маркируются цифрами, указывающими массовую долю углерода и легирующих элементов, и буквами, обозначающими легирующие элементы.

Буквой А в конце марки обозначают сталь высококачественную, а буквой Ш — особовысококачественную. Эти стали имеют пониженную массовую долю вредных примесей — серы и фосфора.

Цифры, стоящие вначале, указывают на содержание углерода: в конструкционных сталях — в сотых долях процента, в инструментальных — в десятых долях процента.

Если впереди марки цифр нет, то массовая доля углерода в пределах 1 %.

Цифры, стоящие после букв, соответствуют массовой доле легирующих элементов в процентах.

Если после букв цифр нет, то массовая доля легирующих элементов в пределах 1 %.

Например, 18Х2Н4МА — легированная конструкционная высококачественная (с пониженным содержанием серы и фосфора) хромоникельмолибденовая (2 % хрома, 4 % никеля, 1 % молибдена, 0,18 % углерода) сталь.

Так как массовая доля углерода — до 0,3 %, сталь является цементуемой, т. е. улучшается химико-термической обработкой.

Сталь легированная конструкционная поставляется в виде сортового проката, в том числе фасонного, калиброванного и шлифованного прутка и серебрянки, полосы, поковок и кованых заготовок, труб, листов разной толщины и других видов проката. Легированная конструкционная сталь выпускается горячекатаной и кованой с обточенной или ободранной поверхностями, калиброванной и со специальной отделкой поверхностей круглого сечения.

В зависимости от назначения сталь подразделяется на четыре подгруппы:

• для горячей обработки давлением;
• для холодной механической обработки (точение, строгание, сверление, фрезерование и др.);
• для холодного волочения (подкат);
• для горячей осадки, штамповки, высадки.

Сталь может поставляться в термически обработанном состоянии (Т), без термической обработки и нагартованная (Н).

Легированные цементуемые конструкционные стали применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения при незначительных нагрузках: втулок, пальцев, валиков, толкателей, шестерен и др.

Улучшаемые легированные конструкционные стали применяются для изготовления деталей, работающих при средних и высоких нагрузках:

• шпинделей и валов в подшипниках скольжения,
• червячных валов,
• роторов,
• рычагов,
• толкателей,
• блоков,
• крепежных деталей, работающих при высоких температурах,
• крупных зубчатых колес,
• валков горячей прокатки.

5. Легированные инструментальные стали

Основными требованиями, предъявляемыми к инструментальным сталям, являются высокая твердость, износостойкость, ударная вязкость и прокаливаемость. Кроме того, в зависимости от условий работы могут предъявляться специфические требования. Например, режущий инструмент, работающий при высокой скорости резания, должен обладать высокой износостойкостью при температуре 500 … 600 °С, а инструмент, работающий при низких режимах резания, требует износостойкости при температуре до 200 °С. Ручной инструмент (напильники, плашки, метчики и др.) должен иметь высокую износостойкость при нормальных условиях. К штампам, работающим при горячем деформировании, предъявляются требования горячей твердости, адгезии, жаропрочности, упругости и ударной вязкости.

Высокие требования из-за специфики и условий работы различных инструментов создаются наличием тех или иных легирующих элементов.

Легированные инструментальные стали поставляются в виде горячекатаного калиброванного проката, поковок, шлифованного прутка, полосы, кованых заготовок и валков.

Массовая доля вредных примесей (серы и фосфора) в легированных инструментальных сталях не должна превышать 0,03 % каждого элемента. В стали, полученной методом электрошлакового переплава, массовая доля серы допускается не более 0,015 %.

В состоянии поставки твердость легированной инструментальной стали колеблется в зависимости от химического состава в пределах 217 … 269 НВ. Все инструментальные легированные стали улучшаются закалкой. Твердость инструмента, изготовленного из легированной стали, после закалки будет следующая: режущего инструмента — 60 … 64 НRС, измерительного — 50 … 58 НRC.

В связи с тем что в процессе работы к инструменту, изготовленному из легированных инструментальных сталей, предъявляются различные требования, эти стали подразделяются на следующие группы:

• сталь для режущего и измерительного инструмента;
• сталь для штампового инструмента;
• быстрорежущие инструментальные стали.

Кроме того, легированные стали подразделяют на качественные, высококачественные и особовысококачественные (последние две группы указываются в маркировке).

Сталь для режущего и измерительного инструмента. Для этих целей применяются средне- и высокоуглеродистые и низко- и среднелегированные стали. Массовая доля углерода в этих сталях колеблется в пределах 0,7 … 1,0 %, а отдельные марки содержат до 1,4 %.

Стали для режущего и измерительного инструмента подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.

Стали неглубокой прокаливаемости включают в себя хромистые, хромованадиевые, хромовольфрамовые и ванадиевые стали. Массовая доля легирующих элементов колеблется в пределах 1 … 5 %, массовая доля углерода — 0,6 … 1,1 %. Характерной особенностью этих сталей из-за малого содержания легирующих элементов является низкая прокаливаемость. Инструмент, изготовленный из этих сталей, при закалке охлаждается в воде и имеет мягкую незакаленную сердцевину. В связи с этим стали неглубокой прокаливаемости идут на изготовление режущего и измерительного инструмента сечением до 25 мм, что при закалке предотвращает коробление и способствует прокаливаемости по всему сечению инструмента.

Марки стали этой группы: 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 11ХФ (11Х), 13Х. Из сталей этих марок изготавливают резьбовые калибры, метчики, плашки, развертки, протяжки и другой специальный инструмент и технологическую оснастку.

Стали глубокой прокаливаемости содержат 1 … 4 % легирующих элементов; отдельные марки имеют до 8 … 10 % легирующих элементов. Основной легирующий элемент, повышающий прокаливаемость, — хром. Его массовая доля, как правило, составляет 1,0 … 1,5 %. Также прокаливаемость повышают кремний и марганец, однако наличие этих элементов в стали затрудняет технологию закалки.

Марки сталей этой группы: 9X1 (9X), 12X1 (20X), 9ХС, ХГС, 9ХВГ, ХВГ, ХВСГ, 9Х5ВФ (120X), 8Х4В3М3Ф2.

Из этих сталей изготавливают те же инструменты, что и из сталей неглубокой прокаливаемости, а также холодновысадочные матрицы, пуансоны, клейма, штемпели и другие ответственные детали, от которых требуется повышенная износостойкость.

Сталь для штампового инструмента. Для изготовления инструментов, деформирующих металл, предназначены штамповые стали, которые подразделяются на следующие группы:

• для деформации в холодном состоянии (Х6ВФ, Х12, Х12ВМ, Х12М, Х12Ф1, 7ХГ2ВФ, 6ХВ3МФС);
• для деформации в горячем состоянии (7Х3, 8Х3, 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ, 4ХМФС, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС);
• для ударного инструмента (4ХС, 6ХС, 4ХВ2С, 6ХВ2С, 3Х2Н2МВФ);
• сталь инструментальная валковая (9Х2, 90ХФ, 9Х2МФ, 55Х, 60ХН).

Стали для холодного деформирования должны иметь высокие твердость и прочность, высокую износостойкость, удовлетворительную вязкость и высокую прокаливаемость.

Стали для горячего деформирования должны обладать высоким сопротивлением пластической деформации, высокой теплостойкостью и высокой разгаростойкостью, т. е. высоким сопротивлением термической усталости.

Быстрорежущие инструментальные стали. Быстрорежущими называют высоколегированные стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких режимах резания. ГОСТ 19265—73 предусматривает поставку инструментальной быстрорежущей стали в виде горячекатаного, калиброванного проката, кованой, в виде полос и прутков со специальной отделкой поверхности следующих марок: Р9, Р18, Р6АМ5, Р6М5К5, 11Р3АМ3ФА, Р6АМ5Ф2, Р12Ф3, Р18К5Ф2, Р9М4К8.

В маркировке быстрорежущих сталей приняты следующие обозначения:

• буквой Р (от англ. rapid — скорый) обозначаются все быстрорежущие стали. Цифра, стоящая справа после буквы Р, указывает на среднюю массовую долю основного легирующего элемента — вольфрама.
• Буква К обозначает кобальт,
• М — молибден,
• А — азот.

В обозначении марок быстрорежущих сталей не указывается массовая доля хрома, молибдена до 1 % включительно и ванадия в сталях марок Р9, Р18, Р6АМ5, Р9К5, Р6М5К и Р9М4К8.

Все быстрорежущие стали содержат 0,70 … 1,12 % углерода в зависимости от марки, 3,8 … 4,4 % хрома, 0,4 % никеля.

Быстрорежущие стали имеют высокую красностойкость до 620 °С, ударную вязкость в состоянии поставки 18 … 26 Дж/см², твердость 220 … 260 НВ, предел прочности при растяжении σ_в = 840 … 940 МПа (84 … 94 кгс/мм²). Высокая красностойкость и горячая твердость создаются легирующими элементами — вольфрамом, ванадием, хромом и молибденом.

Из быстрорежущих сталей делают цельные токарные, строгальные резцы, фрезы, развертки, модульные фрезы, долбяки, протяжки, сверла, метчики и плашки. Кроме того, быстрорежущие стали идут на изготовление различного штампового инструмента (пуансоны, матрицы, ножи для ножниц, машинные ножовки по металлу) и другого инструмента.

Быстрорежущие инструментальные стали способны самозакаливаться на воздухе. В связи с этим при ковке эти стали охлаждают в нагревательных колодцах или в соляных ваннах. При медленном охлаждении в колодцах происходит укрупнение зерен сорбитообразного перлита и карбидов. Кроме того, с целью улучшения обрабатываемости резанием быстрорежущим сталям производят изотермический отжиг. В результате этих операций твердость достигает 200 … 255 НВ.

При последующей ступенчатой закалке при температуре 1 270 … 1 290 °С и трехкратном отпуске при температуре 550 … 570 °С достигаются высокие прочность, твердость и ударная вязкость, а также высокие режущие свойства инструмента. Структура после закалки: карбиды, мартенсит и остаточный аустенит. Остаточный аустенит несколько снижает твердость, и его устраняют многократным отпуском и обработкой холодом. После этих операций он превращается в мартенсит.

По режущим свойствам эти стали бывают нормальной и повышенной производительности. Нормальную производительность имеют стали марок Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 (вольфрамовые), Р6М3, Р6М5 (вольфрамомолибденовые); твердость этих сталей равна 98 НRА, теплостойкость — 620 °С. Стали марок Р10К5Ф5, Р18К5Ф2 (с повышенной массовой долей ванадия и содержанием кобальта) имеют повышенную производительность; твердость этих сталей — более 64 НRС, теплостойкость — 630 … 640 °С. Стали последней группы применяют для обработки высокопрочных сталей с аустенитной структурой и других твердых конструкционных материалов.

6. Высоколегированные стали

Общая характеристика высоколегированных сталей и сплавов. Практикой установлено, что коррозию можно приостановить путем легирования конструкционных сталей и чугунов хромом или хромом и никелем и другими легирующими элементами. Эти легирующие элементы в активных средах переходят в пассивное состояние, на их поверхности возникают тонкие оксидные пленки и поверхность приобретает высокую коррозионную стойкость.

Легирование стали никелем дает возможность получать компонентную (аустенитную) структуру, которая обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем хромистые и хромоникелевые стали.

Высоколегированные стали и коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные сплавы (ГОСТ 5632—72) выпускаются на железной, железоникелевой и никелевой основах и поставляются в виде сортового и фасонного проката, калиброванного прутка, прутка со специальной отделкой поверхности, листа тонкого и толстого, полосы, поковок и кованых заготовок, проволоки и труб. Они предназначены для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций для работы в коррозионно-активных средах и при высоких температурах.

Высоколегированные стали и сплавы получают методом электрошлакового (ЭШ), вакуумно-дугового (ВД) переплавов и индукционной электроплавкой (ЭП) и в зависимости от основных свойств подразделяют на следующие группы:

• коррозионно-стойкие;
• жаростойкие;
• жаропрочные.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Коррозионно-стойкими называют такие конструкционные материалы, которые сопротивляются химическому и электрохимическому воздействию окружающей среды.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы обладают стойкостью против химической и электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, межкристаллитной и коррозии под напряжением).

По содержанию углерода коррозионно-стойкие стали и сплавы выпускают низкоуглеродистыми (массовая доля углерода менее 0,3 %) и среднеуглеродистыми (массовая доля углерода более 0,3 %).

Наиболее стойкими против коррозии являются такие химические элементы, как хром и никель, поэтому эти химические элементы являются постоянными легирующими элементами при получении коррозионно-стойких сталей и сплавов. Практика показывает, что устойчивая коррозионная стойкость у сталей и сплавов образуется при массовой доле хрома 12,5 % и выше.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от массовой доли хрома и углерода. При содержании хрома 13; 17 и 25 % и при наличии 0,1 … 0,4 % углерода стали приобретают высокую жаростойкость (окалиностойкость).

Хромистые стали имеют высокие технологические свойства: деформируемость, свариваемость и улучшаемость, поэтому основная группа коррозионно-стойких сталей производится на основе хрома, а отдельные марки на основе хрома и никеля, а также титана. Титан и никель вводят для измельчения зерна, а отдельно никель для увеличения прочности, твердости и ударной вязкости.

Наиболее широкое применение получили коррозионно-стойкие хромистые стали следующих марок: 12Х12, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 08Х13 и др.

Стали марок 12Х13 и 20Х13 хорошо деформируются и свариваются. Стали марок 30Х13 и 40Х13 свариваются ограниченно, так как средняя массовая доля углерода и высокое содержание хрома способствуют образованию при сварке трещин в районе околошовной зоны основного металла. Эти стали хорошо куются и штампуются в горячем состоянии, так как при высокой температуре они пластичны.

Стали марок 20Х13, 30Х13, 40Х13 — мартенситного класса, а стали 12Х13 — ферритного класса.

Эти стали широко используются как конструкционный и коррозионно-стойкий материал. Их используют для изготовления лопаток различных турбин, компрессоров, клапанов, арматуры нефтеустановок и аппаратов, а стали 30Х13 и 40Х13 — для режущего и измерительного инструмента, пружин, деталей карбюраторов и других деталей, работающих при температуре до 400 °С.

Детали, изготовленные из этих сталей, подвергаются закалке и низкому, среднему и высокому отпуску в зависимости от марки и требуемых свойств.

Сталь марки 40Х13 широко применяется для изготовления хирургического и бытового инструмента.

Хромоникелевые стали в зависимости от химического состава, массовой доли хрома и никеля выпускаются следующих классов: аустенитный, аустенитно-ферритный и аустенитно-мартенситный. Стали с содержанием 18 % хрома и 9 … 10 % никеля образуют структуру аустенита. Эти стали имеют коррозионную стойкость при высоких температурах в различных рабочих средах, в том числе в растворах кислот, обладают высокой обрабатываемостью давлением и свариваемостью. Аустенитные стали получили наиболее широкое применение в химической промышленности и строительстве.

К недостаткам аустенитного класса сталей относят низкие обрабатываемость резанием и литейные свойства, поэтому они широко применяются как конструкционный материал в сварных конструкциях и изделиях, получаемых обработкой давлением.

Наиболее широкое применение нашли стали аустенитного класса О4Х18Н10, О8Х18Н10, О8Х18Н10Т и многие другие, всего около 30 марок. Титан вводится в сталь с целью устранения межкристаллитной коррозии. Аустенитные стали подвергаются закалке при температуре 1 050 … 1 100 °С. Охлаждение изделий производят в масле. После закалки предел прочности при растяжении σ_в = 500 … 600 МПа (отдельные марки достигают прочности 1 000 … 1 200 МПа), относительное удлинение δ = 35 … 40 %.

Стали аустенитно-ферритного класса в своем составе кроме хрома и никеля содержат титан и кремний. Они имеют более высокие антикоррозионные свойства в активных средах, а также высокие технологические свойства. Наиболее широкое применение нашли аустенитно-ферритные стали марок 12Х21Н5Т, ОХ22Н5Т, Х28АН и др., всего примерно 10 марок.

Закалку этих сталей производят при температуре 950 … 1 000 °С, охлаждение осуществляют в масле. После закалки проводят операцию старения при температуре 500 °С. Предел прочности этих сталей σ_в = 950 … 1 200 МПа, относительное удлинение δ = 4… 12 %.

Стали аустенитно-мартенситного класса кроме хрома в своем составе имеют алюминий и марганец и пониженную массовую долю никеля (1 … 9 %). Стали этого класса используются как коррозионно-стойкий конструкционный материал для работы в активных, окислительных рабочих средах и имеет более высокие, по сравнению с рассмотренными ранее сталями, механические и химические свойства. Предел прочности в зависимости от химического состава — 1 200 … 1 900 МПа, относительное удлинение — 3 … 10 %.

Марки сталей аустенитно-мартенситного класса: 2Х13Н4Г9, Х15Н9Ю, ОХ17Н7Ю, ОХ17Н7Ю1, 09Х15Н8Ю, 2Х17Н2 и др.

Закалку этих сталей производят при температуре 975 °С, охлаждение осуществляют в масле. После закалки проводят обязательные операции обработки холодом, старение и упрочнение при холодной прокатке.

Жаростойкие стали и сплавы. Известно, что образование окалины на поверхности металла происходит под воздействием температуры и кислорода рабочей среды. Чем выше температура рабочей среды, тем активнее идет процесс образования окалины. Между тем, сама образовавшаяся окалина может препятствовать дальнейшему окислению металла. Это может быть достигнуто тогда, когда оксидная пленка плотная, без трещин и пор.

Практика показывает, что оксидная пленка железа, вольфрама и других элементов обладает низкими защитными свойствами. Через пленки этих металлов легко диффундирует кислород, и происходит образование окалины на большую глубину; окалина растрескивается, становится пористой, металл сгорает.

Хром, алюминий, никель, кремний имеют плотную оксидную пленку, и, кроме того, пленки этих металлов под воздействием температуры не трескаются. Окислившись, поверхность металла детали под воздействием температуры и кислорода в начальный период нагрева становится теплостойкой. Образовавшаяся на поверхности оксидная пленка защищает металл от дальнейшего разрушения.

Максимальная массовая доля хрома (10 %) при температуре 800 … 900 °С обеспечивает устойчивую окалиностойкость. При массовой доле хрома 20 … 25 % рабочая температура может достигать 1 000 … 1 100 °С.

Свойство окалиностойкости обеспечивает не структура стали, а только ее химический состав. В практике нашли применение следующие марки жаростойких сталей: 4Х9С2, 1Х12СЮ, 4Х10С2М, 3Х13Н7С2, Х20НМС2, 4Х18Н25С2, ОХ18Н10Т и др., всего приблизительно 60 марок.

Жаростойкие стали применяют для изготовления деталей, работающих в активных рабочих средах и при высоких температурах с незначительной механической нагрузкой: клапанов автомобильных, тракторных двигателей и дизелей; теплообменников, колосников, труб, электродов свечей зажигания, печных конвейеров, ящиков для цементации, муфелей, реторт, выхлопных систем и других деталей и конструкций в химическом, нефтехимическом и газовом производстве.

Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочность сталей всегда сопровождается их жаростойкостью (окалиностойкостью), т. е. все жаропрочные стали должны быть, прежде всего, жаростойкими.

Рассматривая жаропрочность конструкционного материала, следует знать, что с повышением температуры прочностная характеристика любого конструкционного материала уменьшается, в том числе у обычной конструкционной углеродистой стали. Следовательно, жаропрочность характеризуется двумя показателями: температурой и временем. При этом, если показатель времени брать за основополагающий фактор, то жаропрочность следует характеризовать длительной прочностью. При определении длительной прочности при высокой температуре будем наблюдать ползучесть испытуемого образца, и эта ползучесть увеличивает жаропрочность. На жаропрочность конструкционных материалов влияет их структура и легирующие элементы. Классы структур в этих сталях бывают перлитные, аустенитные и мартенситные. В качестве легирующих элементов в хромоникелевых сталях применяют кремний, марганец, молибден, вольфрам, ванадий и ниобий с различной мас совой долей в зависимости от назначения стали.

По назначению жаропрочные легированные стали подразделяются на клапанные, котельные, котлотурбинные, для реактивной техники. Из этих сталей делают различные детали и конструкции, такие как клапаны машинных двигателей, трубы паро- и газопроводов, аппараты и котлы сверхвысокого давления, лопатки паровых и газовых турбин, вкладыши сопел, крепежные детали и др.

7. Углеродистые и легированные стали специального назначения

Рессорно-пружинная сталь. Рессорно-пружинная сталь (ГОСТ 14959—79*) выпускается в виде горячекатаного проката или кованой (диаметром или толщиной до 250 мм), а также в виде калиброванных прутков круглого, квадратного и профильного сечений, мотков и полос со специальной отделкой поверхности.

Рессорно-пружинная сталь выпускается качественной и высококачественной, а также углеродистой (65, 70, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г) и легированной (55С2, 55С2А, 60С2, 70С3А, 60С2Г, 50ХГ, 50ХГА и др.).

Цифры в маркировке углеродистых сталей указывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента; буква Г, стоящая справа после цифры, — повышенное содержание марганца (0,7 … 1,2 %). В обозначении легированных сталей цифры, стоящие впереди марки, указывают массовую долю углерода в сотых долях процента.

Для примера рассмотрим химический состав стали марки 60С2Н2А. Массовая доля углерода составляет 0,56 … 0,64 %, кремния — 2 %, никеля — 2 %. Буква А, стоящая в конце марки, указывает, что сталь высококачественная, т. е. имеет пониженную массовую долю вредных примесей — серы и фосфора (их суммарная массовая доля составляет 0,05 %).

Рессорно-пружинные стали поставляются по строго заданным нормируемым характеристикам. Нормируемыми характеристиками являются химический состав, механические свойства и назначение.

По нормируемым характеристикам эти стали подразделяются на категории: 1, 1A, 1Б, 2, 2А, 2Б, 3, 3А, 3В, 3Г, 4, 4А, 4Б.

Сталь категорий 1, 1A, 1Б, 4, 4А и 4Б в зависимости от вида последующей обработки подразделяется на подгруппы:

• а — для горячей обработки (ковка, штамповка);
• б — для холодной механической обработки (строгание, точение, фрезерование);
• в — для холодного волочения (подкат).

Рессорно-пружинные стали обладают высокими механическими свойствами как в сыром, так и в термически обработанном состоянии. Углеродистые и марганцовистые стали имеют пределы прочности при растяжении σ_в = 1 000 … 1 130 МПа (100 … 115 кгс/мм2), относительное удлинение δ = 7 … 9 %, твердость 230 … 250 НВ. Кремнистые, кремнисто-хромистые и кремнистоникелевые стали имеют более высокие механические свойства по сравнению с углеродистыми и марганцовистыми сталями. Например, сталь марки 60С2Н2А имеет предел прочности при растяжении σ_в = 1 500 МПа (150 кгс/мм2), твердость 420 … 475 НВ, относительное удлинение δ = 19 %.

Рессорно-пружинная сталь обладает высокой ковкостью, ограниченной свариваемостью, высокой прокаливаемостью и отсутствием отпускной хрупкости.

В нормативно-технической документации и на чертежах рессорно-пружинная сталь обозначается следующим образом:

что означает — сталь горячекатаная, круглая, диаметром 100 мм, обычной точности прокатки по ГОСТ 2590—2006 марки 65Г, для горячей обработки подгруппы а, категории 4А.

Аналогично обозначаются и другие виды проката этих сталей.

Из рессорно-пружинной стали изготавливают рессоры, пружины общего назначения, пружины клапанов автомобилей, амортизаторов, замковые шайбы, диски сцепления, эксцентрики, бандажи, тормозные барабаны и ленты, фрикционные диски, шайбы пружинные, торционные валы и другие детали, от которых требуется высокая упругость и износостойкость, в том числе тяжело нагруженные пружины и рессоры для большегрузных автомобилей, тракторов и железнодорожных вагонов.

Подшипниковая сталь. По ГОСТ 801—78 предусматривается выпуск подшипниковой стали горячекатаной, катаной, калиброванной и со специальной отделкой поверхности в виде круга, полосы, квадрата, труб, ленты, проволоки (ШХ4, ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ).

В маркировке этих сталей приняты следующие обозначения:

• буквы ШХ — подшипниковая хромистая;
• буквы С, Г — легирующие элементы (кремний и марганец);
• цифры показывают количество хрома в десятых долях процента.

В маркировке отдельных сталей указывается способ выплавки:

• буквой Ш обозначают электрошлаковый переплав;
• буквой В — вакуумирование;
• буквой Д — двойная очистка (например, ШХ9-Ш; ШХ15-ШВ; ШХ15-ШД).

Подшипниковая сталь в зависимости от дальнейшей обработки подразделяется на следующие группы:

• для горячей обработки давлением (штамповка, ковка);
• для холодной высадки;
• для холодной штамповки.

Подшипниковые стали имеют высокие механические свойства (особенно после закалки): твердость, прочность, ударную вязкость, износостойкость и теплостойкость.

Например, сталь марки ШХ15СГ в состоянии поставки имеет следующие свойства:

• предел прочности при растяжении σ_в = 590 … 730 МПа (60 … 73 кгс/мм²),
• твердость 179 … 217 НВ, ударную вязкость 44 Дж/см²;
• после закалки при температуре 810 … 840 °С,
• охлаждения в масле и последующего отпуска при температуре 150 °С — твердость 61 … 65 НRC,
• предел прочности при растяжении σ_в = 1 960 … 2 300 МПа (196 … 230 кгс/мм²).

Подшипниковая сталь имеет высокие технологические свойства: ковкость, обрабатываемость резанием, шлифуемость, прокаливаемость и низкую склонность к отпускной хрупкости; свариваемость ограниченная. Из этой стали изготавливают шарики, ролики, кольца, втулки, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Подшипниковая сталь, легированная кремнием и марганцем, идет на изготовление подшипников, работающих при повышенных температурах.

Конструкционная сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием (автоматная). По ГОСТ 1414—75 выпускают следующие группы конструкционных сталей повышенной и высокой обрабатываемости резанием:

• углеродистая сернистая (А11, А12, А20, А30, А35);
• сернисто-марганцевая (А40Г);
• сернисто-марганцевая свинецсодержащая (АС35Г, АС45Г2, А35Е, А45Е);
• легированная свинецсодержащая (А12ХМ, АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГНМ, АС40ХГНМ) и другие группы.

В маркировке этой группы сталей приняты следующие обозначения:

• буква А — сталь автоматная;
• АС — автоматная свинецсодержащая;
• буква Е указывает на наличие в стали селена.

Цифры, стоящие после букв, указывают на массовую долю свинца. Остальные условные обозначения такие же, как у легированных конструкционных сталей.

Сталь конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резанием выпускается в виде горячекатаного круглого, квадратного и шестигранного, катаного и калиброванного проката, как термически обработанного (Т), так и без термической обработки, а также нагартованного (Н). В зависимости от назначения эта сталь подразделяется на группы:

• а — для горячей обработки давлением;
• б — для холодной механической обработки;
• в — для холодного волочения (подкат).

В зависимости от химического состава конструкционная сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием имеет следующие пределы механических свойств: предел прочности при растяжении σ_в = 580 … 800 МПа (58 … 80 кгс/мм2) (для некоторых марок стали σ_в = 1 000 … 1 200 МПа); твердость по Бринеллю 187 … 241 НВ; относительное удлинение δ = 8 … 12 % (для некоторых марок стали σ = 20 %).

Автоматные стали обладают высокими технологическими свойствами: ковкостью, свариваемостью и особенно обрабатываемостью резанием. Последнее свойство достигается путем специальных металлургических процессов, предусматривающих введение в конструкционную сталь серы, свинца и селена. Эти добавки в процессе обработки резанием создают как бы внутреннюю смазку, которая снижает трение в месте контакта резца с заготовкой, при этом процесс резания идет мягко, создаются условия измельчения стружки. Вредное влияние серы в этих сталях нейтрализуется повышенным содержанием марганца.

Конструкционные стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием обладают повышенными вязкостью, пластичностью и усталостью, поэтому имеют ограниченное применение.

Углеродистые сернистые стали используют для крепежных малонагруженных деталей, к которым предъявляются требования высокой точности и шероховатости поверхности. Другие группы автоматных сталей используют для деталей, работающих при более высоких напряжениях и нагрузках. Например, стали марок А12, А20, А30 и А40Г идут на изготовление осей, валиков, зубчатых колес, шестерен, пальцев, винтов, болтов, втулок, колец, ходовых винтов и других деталей сложной формы, получаемых на станках-автоматах и требующих высокого качества поверхности. Первые две из указанных марок подвергаются цементации, а последующие марки улучшаются закалкой и отпуском.

Сталь для отливок. В зависимости от назначения, механических свойств и химического состава отливки подразделяются на три группы:

• общего назначения;
• ответственного назначения;
• особо ответственного назначения.

Отливки изготовляются из сталей следующих марок (ГОСТ 977—88): 15Л, 20Л, 30Л, 35Л, 40Л, 50, 55Л, 20ГЛ, 20Г1ФЛ, 10ФЛ, 30ХГСФЛ, 45ФЛ, 32Х06Л, 40ХЛ, 35ХМЛ, 35ХГСЛ, 35ХГМЛ, 20ДХЛ, 20ХГСНДМЛ, 08ГДНФЛ, 13ХНДФТЛ, 12ДН2ФЛ, 12ДН1МФЛ, 23ХГС2МФЛ, 25Х2Г2ФЛ.

Принцип маркировки литейных сталей аналогичен маркировке углеродистых и легированных качественных конструкционных сталей, но в конце маркировки ставится буква Л (сталь литейная).

В нормативно-технической документации и на чертежах литейные стали обозначаются следующим образом: отливка 12ДХН1МФЛГОСТ 977—88, что означает: отливка из стали марки 12ДХН1МФЛ группы особо качественного назначения, ГОСТ 977—88.

Аналогично обозначаются и другие марки сталей. Химический состав сталей обусловлен соответствующими марками. Механические и технологические свойства отливок зависят от выбранных для этих целей марок сталей.

Сталь низколегированная строительная. По ГОСТ 19281—89* выпускается низколегированная строительная сталь следующих групп и марок:

• марганцевая — 14Г2, 0912;
• марганцовистая с медью — 09Г2Д;
• кремнемарганцовистая — 12ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С, 10Г2С1;
• кремнемарганцовистая с медью — 09Г2СД, 10Г2С1Д;
• марганцевованадиевая — 15ГФ, 15Г2СФ;
• марганцевованадиевая с медью — 157ГФД, 15Г2СФД;
• марганцевованадиевая с азотом — 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ;
• марганцевованадиевая с азотом и медью — 14Г2АФД, 16Г2АФД, 15Г2АФДжс, 18Г2АФДпс;
• марганцевониобиевая — 10Г2Б, 12Г2Б.

В маркировке низколегированных строительных сталей принят тот же принцип, что и для легированных конструкционных сталей.

Сталь низколегированная выпускается в виде толстолистового и широколистового проката в рулонах, лентах и листах, применяемых для сварных строительных конструкций (в машиностроении — для несварных конструкций) без термообработки: трубопроводов, емкостей для хранения и транспортировки жидкостей и т. д.

Предел прочности этой стали σ_в = 440 … 600 МПа, относительное удлинение δ = 20 … 23 %, ударная вязкость составляет 30 … 44 Дж/см².

В нормативно-технической документации принято следующее обозначение:

что означает: сталь широкополосная универсальная, толщиной 40 мм, шириной 500 мм (ГОСТ 82—70*), с ребровой кривизной по классу А, марки 10Г2С1 (ГОСТ 19281—89*), категории 5.

Низколегированная строительная сталь применяется для изготовления ферм, обвязки вагонов, элементов сварных строительных конструкций, листовых конструкций, днищ сосудов, а также арматуры железобетонных изделий. В зависимости от химического состава марок сталей строительные конструкции могут работать при температуре 40 … 70 °С, а из отдельных марок — при отрицательных температурах и под давлением.