Железоуглеродистые сплавы

1. Чугуны. Основные свойства, марки и их применение

Чугун и сталь — основные машиностроительные материалы.

Они составляют 95% всех используемых в технике сплавов.

Чугун — сплав на железной основе. Принципиальное отличие чугуна от стали заключается в более высоком содержании в нем углерода (более 2,14%). Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3–3,5% углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в сталь, т.е. кремний, марганец, сера и фосфор, но в несколько больших количествах.

Чугун – самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3 ÷ 3,5% углерода.

Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Специально обработанный чугун (высокопрочный) по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.

Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объясняются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита.

Введение в жидкий чугун небольшого количества магния и церия изменили форму графита, он стал шаровидным. Чугун приобрел прочность и утратил хрупкость. Такой чугун (его называют высокопрочным) по своему качеству не уступает конструкционным углеродистым сталям. Стойкость деталей, изготовленных из этого чугуна, увеличилась почти в три раза.

Углерод в чугунах может находиться в виде химического соединения — цементита (такие чугуны называют белыми) или частично или полностью в свободном состоянии в виде графита — (такие чугуны называют серыми).

Чугуны состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются главным образом формой графитовых включений. Белый чугун имеет ограниченное применение. Некоторые отливки, от которых требуется повышенная твердость поверхностного слоя, изготовляют из отбеленного чугуна. Поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а сердцевина — из серого. Величину и твердость отбеленного слоя регулируют путем изменения химического состава чугуна и скорости затвердевания отливки.

Чугун серый широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. По виду металлической основы различают серые чугуны перлитные, перлитно-ферритные и ферритные.

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает целостность металлической основы. Располагаясь между зернами металлической основы, графит ослабляет связь между ними. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкую пластичность и вязкость. Чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства чугуна. Твердость серого чугуна, а также его сопротивление сжатию близки к показателям стали, имеющей такую же структуру как у металлической основы чугуна.

Графит оказывает и некоторое положительное влияние на свойства чугуна, в частности, он повышает его износостойкость, действуя аналогично смазке, повышает обрабатываемость резанием, так как делает стружку ломкой, способствует гашению вибраций изделий, уменьшает усадку при изготовлении отливок.

Механические свойства серого чугуна могут быть улучшены равномерным распределением мелкопластинчатого графита в отливке. Это достигается путем специальной обработки — модифицирования, когда в жидкий чугун перед его разливкой вводят добавки, которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит. Чугун с таким графитом называют модифицированным. От обычного серого чугуна он отличается более высоким сопротивлением разрыву, однако пластичность и вязкость его при модифицировании не улучшаются.

По ГОСТ 1412–85 буквы СЧ в обозначения марки чугуна означаютсерый чугун. Двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σв МПа. Марки чугунов: Сч10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧЗО, СЧ35, СЧ45.

Предел прочности серых чугунов σ_в = 274 ÷ 637 МПа, твердость – 143 ÷ 637 НВ.

Чугун высокопрочный с шаровидным графитом. Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения. Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400 oС (серый чугун выдерживает температуру до 250 °С).

ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σ_в, предел текучести σ_т, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией. Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа — первое указывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удлинение. Например, марка чугуна ВЧ 42–12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σ_в = 412 Н/мм2 (42 кгс/мм²) и относительное удлинение δ = 12%.

Стандарт предусматривает 10 марок высокопрочных чугунов: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-7, ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Стандарт или справочник дает дополнительные сведения об этом чугуне: предел текучести σ_т = 274 Н/мм² (28 кгс/мм²), твердость – 140 ÷ 200 НВ.

Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали 20Л, 25Л, 30Л и 35Л.

Чугун ковкий. В структуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит называют углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Свое название он получил потому, что имеет повышенную пластичность. Ковке в прямом понимании этого слова чугун не подвергается. По ГОСТ 1215–79 маркируется ковкий чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Например, марка чугуна КЧ 33–8 означает, что данный чугун имеет предел прочности σ_в = 323 Н/мм² (33 кгс/мм²) и относительное удлинение δ = 8 %.

Отливки из ковкого чугуна можно получить с сечением до 55 мм.

Чугуны ферритного класса КЧ 35–10 и КЧ37–12 используют для производства деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках (картеров, редукторов, ступиц, крюков, скоб, задних мостов, кронштейнов), а чугуны марок КЧ 30–6 и КЧ 33–8 – для изготовления менее ответственных деталей (хомутов, гаек, вентилей, деталей сельскохозяйственных машин, глушителей, фланцев, муфт, тормозных деталей, педалей, гаечных ключей, колодок, кронштейнов). Ковкие чугуны перлитного класса марок КЧ 45-7, КЧ 50- 4, КЧ 50-5, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5 обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Из них получают вилки карданных валов, шестерни, червячные колеса, поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, втулки, муфты, тормозные колодки, коленчатые валы. Твердость ферритных ковких чугунов — до 163 НВ, перлитных — до 320 НВ.

Чугун легированный. Свойства чугуна можно улучшить путем введения в его расплав легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на его металлическую основу, но также на форму и размеры графитных включений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.

Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. По основному легирующему элементу чугуны со специальными свойствами подразделяются на пять видов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, маркируется легированный чугун по тому же принципу, что и высокопрочный: буква Ч означает чугун, буква Ш — шаровидная форма графита, буквы русского алфавита, соответствующие легирующим химическим элементам, и цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. Например, марка чугуна ЧХ16 означает, что данный легированный чугун содержит хрома 16%.

2. Стали углеродистые. Основные свойства, марки и их применение

Сталь является наиболее распространенным материалом в машиностроении. Создание новых более совершенных машин стимулирует создание марок сталей со свойствами, отвечающими современным требованиям в машиностроении. При этом ранее созданные марки сталей, с учетом новых технологий их производства, продолжают быть востребованы конструкторами при создании новых и совершенствовании действующих машин. Принято выделять следующие группы сталей: углеродистые стали, которые в общем объеме составляют примерно 80%, легированные стали конструкционные и инструментальные, стали с особыми свойствами специального назначения и др.

Сталь – сплавы железа с углеродом и другими элементами, содержащие до 2,14% углерода. Углерод — важнейшая примесь стали. От его содержания зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси обычно попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками. Если марганец и кремний необходимы по условиям технологии выплавки, то сера и фосфор относятся к вредным примесям, не поддающимся полному удалению. В малом количестве в стали постоянно присутствуют скрытые примеси: кислород, водород, азот. Чем меньше вредных примесей, тем выше качество стали. В зависимости от качества различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Стали углеродистые обыкновенного качества относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых. Из них получают до 70% всего проката – горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового. Из этих сталей изготовляют трубы, поковки, штамповки, ленту, проволоку, металлические изделия (метизы): гвозди, канаты, сетки, болты, гайки, заклепки, а также мало- и средненагруженные детали – штифты, шайбы, шпонки, крышки, кожухи, а из стали номеров 4–6 — валы, винты, зубчатые колеса и шпиндели. Стали обыкновенного качества хорошо свариваются.

Буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6 — условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности σв и предел текучести σт и уменьшается относительное удлинение δ. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная (например: СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп).

Стали углеродистые качественные конструкционные применяют в основном для изготовления деталей машин: валы, шпиндели, оси, зубчатые колеса, шпонки, муфты, фланцы, фрикционные диски, винты, гайки, упоры, тяги, цилиндры гидроприводов, эксцентрики, звездочки цепных передач, т.е. деталей различной степени нагружения. Они хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке. Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.

Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).

В обозначение марки стали входят слово «Сталь» и двузначная цифра, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода — 0,22– 0,30%), Сталь 60–0,60% (допустимое количество — 0,57–0,65%). В марках полуспокойных и кипящих сталей добавляют соответственно обозначение буквами «пс» и «кп». В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора — не более 0,035%.

Примерное назначение углеродистой качественной конструкционной стали:

• 08кп, 10 — детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж, колпачки, цементируемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины (втулки, валики, упоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски);
• 15, 20 — малонагруженные детали (валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни), тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, крюки, траверсы, вкладыши, болты, стяжки и др.;
• 30, 35 — детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звездочки, тяги, траверсы, рычаги, диски, валы);
• 40, 45 — детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки, прокатные валики и др.);
• 50, 55 — зубчатые колеса, прокатные валики, штоки, бандажи, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры и др. Применяют после закалки с высоким отпуском и в нормализованном состоянии;
• 60 — детали с высокими прочностными и упругими свойствами (прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов). Применяют после закалки или после нормализации (крупные детали).

Стали углеродистые инструментальные. Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.

Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200 оС, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99): качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13 и высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У 11А, У12А и У13А.

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).

Стали и сплавы легированные относятся к железоуглеродистым материалам, которые кроме обычных примесей (марганца, кремния, серы и фосфора) содержат ряд элементов, специально вводимых в сталь при ее выплавке для получения заданных свойств. Эти элементы называют легирующими. Наиболее распространенные легирующие элементы указывают в марках металлов и сплавов, буквенное обозначение которых приведено рядом с названиями этих элементов: никель — Н, хром — X, вольфрам — В, молибден — М, титан — Т, ванадий — Ф, алюминий — Ю, медь — Д, кобальт — К, бор — Р, кремний — С и марганец — Г, если они специально введены в сталь, также являются легирующими элементами. При этом содержание кремния должно быть выше 0,5%, а марганца — выше 0,8%.

Подавляющая часть легированных сталей содержит два или несколько легирующих элементов, так как совместное их действие значительнее влияет на изменение свойств стали, чем действие одного элемента, даже если он вводится в большом количестве.

Название легированных сталей определяется основными легирующими элементами, входящими в их состав, например: хромистая, хромомарганцовая, хромоникелевая, хромоникельмолибденовая и т.п.

В зависимости от области применения легированные стали подразделяют на три группы:

• конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и конструкций;
• инструментальные стали, используемые для производства режущих и измерительных инструментов, штампов и пресс-форм;
• стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами — коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, магнитомягкие, магнитотвердые, с заданным коэффициентом теплового расширения и др.

В зависимости от содержания вредных примесей различают качественную легированную сталь (не более 0,035% серы, также и фосфора), высококачественную — А (не более 0,025% серы, также и фосфора ), особо высококачественную — Ш (до 0,015% серы и до 0,025% фосфора). Буква Ш ставится через дефис в конце марки стали, например З0ХГС-Ш, З0ХГСА-Ш.

В обозначение марок легированных сталей (ГОСТ 4543-71) входят заглавные буквы русского алфавита, соответствующие определенным химическим элементам, содержащимся в стали, и цифры, обозначающие количество легирующих элементов и углерода.

Первые одна или две цифры (слева) характеризуют среднее содержание углерода: одна цифра — в десятых долях процента, две цифры — в сотых долях. В марках некоторых инструментальных легированных сталей с содержанием углерода около 1% цифра не ставится. Цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. При содержании легирующего элемента до 1,5% цифра после буквы может не проставляться (это делается в исключительных случаях). Например, 40Х означает хромистую легированную конструкционную сталь, содержащую 0,4% углерода и около 1% хрома; 15Н2М — конструкционную легированную никельмолибденовую сталь с содержанием 0,15% углерода, 2% никеля и до 1% молибдена.

Маркировка высококачественных сталей отличается наличием буквы А, проставляемой в конце марки. Например, 18Х2Н4МА означает хромоникельмолибденовую конструкционную легированную высококачественную сталь с содержанием 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля и до 1% молибдена; 38Х2МЮА — хромоалюминиевую конструкционную высококачественную сталь, имеющую в своем составе 0,38% углерода, 2% хрома, до 1% молибдена и до 1% алюминия. Буква А не ставится в обозначении высококачественных инструментальных легированных сталей и сплавов с особыми свойствами. Например, 8Х4ВЗМЗФ2 — инструментальная легированная сталь для режущего и измерительного инструмента (0,8% углерода, 4% хрома, 3% вольфрама, 3% молибдена и 2% ванадия).

Иногда в обозначении марок сталей в начале ставятся буквы, указывающие области их применения: А — автоматные стали повышенной обрабатываемости резанием (А12, А35), Ш — шарикоподшипниковые стали (ШХ15, ШХ9), Р — быстрорежущие стали (Р18, Р6М5К5), Св — сварочные и наплавочные стали и сплавы (Св-12ГС, Св-08ХН2ГМТА). Особое внимание следует обратить на букву А, которая может содержаться в начале обозначения марки стали, в середине и в конце. Если буква А стоит в начале марки, она указывает область применения стали (автоматная конструкционная сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием, например А40ХЕ), если в конце марки, значит сталь высококачественная (например 20Х2Н4А), буква А, стоящая в середине марки, означает азот, например 10Х14АП5. Стали, предназначенные для специального производства (исследуемые или пробные), часто маркируют условно, например по месту их выплавки: Э — «Электросталь», З — Златоустовский металлургический комбинат, Д — завод «Днепроспецсталь» — ЭИ868, ЭП48, ЗИ, ДИ (И — значит исследовательская, П – пробная).

Стали инструментальные легированные. Инструментальные легированные стали (ГОСТ 5950-2000) применяются для изготовления режущего измерительного инструмента, а также штампов. Стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента (резцов, сверл, фрез и др.), должны обладать высокой твердостью (HRC≥62) и износостойкостью.

Условия работы измерительного инструмента (скоб, калибров) близки к условиям работы режущего инструмента при низких режимах резания. Для измерительного инструмента важны малая деформация при термической обработке и сохранение постоянства размеров.

Стали инструментальные легированные для режущего и измерительного инструмента

Стали неглубокой прокаливаемости:

• 7ХФ – деревообрабатывающий инструмент (топоры, стамески, долота), инструмент, работающий с ударными нагрузками (зубила, пуансоны);
• 8ХФ – штампели для холодной обработки, ножи для холодной резки металлов, абразивные матрицы и пуансоны для холодной обрезки заусенцев, кернеры;
• 9ХФ – рамные, ленточные и круглые строгальные пилы, ножи, обрезные матрицы и пуансоны для холодной работы, кернеры и др.;
• 11ХФ – метчики, плашки, развертки, сверла и фрезы диаметром до 30 мм;
• 13Х – бритвенные ножи, лезвия, острый хирургический инструмент, шаберы, штихели, гравировальный инструмент;
• ХВ4 (ХВ5) – резцы, фрезы, сверла и развертки для обработки твердых металлов при небольших скоростям резания, валки с закаленной поверхностью, гравировальные резцы, работающие в напряженных условиях;
• В2Ф – ленточные пилы по металлу и ножовочные полотна. Стали глубокой прокаливаемости:
• 9X1 – валки для холодной прокатки, дрессировочные валки (для отделочной операции в производстве тонких полос), клейма, пробойники, холодновысадочные матрицы и пуансоны, деревообрабатывающий инструмент;
• X – зубила для насечки напильников, очень твердые кулачки эксцентриков и пальцев, цилиндрические гладкие калибры и калиберные кольца, резцы токарные, строгальные и долбежные для лекальных и ремонтных мастерских (участков);
• 12X1 – измерительный инструмент (плитки, калибры, шаблоны, скобы);
• 9ХС, ХГС – сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ;
• ХГС – валки для холодной прокатки, холодновысадочные матрицы и пуансоны, вырубочные штампы диаметром (толщиной) до 70 мм;
• ХВГ – измерительный и режущий инструмент, для которого недопустимо повышенное коробление при закалке, резьбовые калибры, протяжки, длинные метчики и развертки, плашки, фасонные резцы и другие виды специального инструмента, холодновысадочные матрицы и пуансоны, технологическая оснастка;
• 9ХВГ – резьбовые калибры, лекала сложной формы, сложные и точные штампы для холодных работ (при термообработке не должны подвергаться объемным изменениям и короблению);
• ХВСГ – круглые плашки, развертки, фасонные резцы и другой режущий инструмент;
• 8Х6НФТ, 9Х5ВФ – ножи для деревообрабатывающих станков, строгальные пилы, фрезы, сверла и другой деревообрабатывающий инструмент;
• 8Х4ВЗМЗФ2 (ЭП570) – деревообрабатывающий инструмент, работающий в тяжелых условиях с нагревом режущей кромки, режущий (вырубной) инструмент для обработки металлов в холодном состоянии (ножи труборазрубочных прессов, гильотин и ножниц), инструмент для холодной пластической деформации (шлиценакатные ролики, пуансоны, матрицы, накатники).

Стали для ударного инструмента:

• 4ХС – зубила, обжимки, ножницы для горячей и холодной резки металла, штампы горячей вытяжки;
• 6ХС – пневматические зубила, штампы небольших размеров для холодной штамповки, рубильные ножи;
• 4ХВ2С – пневматический инструмент, зубила, обжимки; 5ХВ2С, 6ХВ2С – инструмент для холодной обработки металла, ножи, резьбонакатные плашки, пуансоны и обжимные матрицы, деревообрабатывающий инструмент, предназначенный для длительной работы;
• 6ХВГ – пуансоны сложной формы для холодной прошивки фигурных отверстий в листовом и полосовом материале, небольшие штампы для горячей штамповки деталей сложной формы.

Стали инструментальные быстрорежущие получили такое название потому, что изготовленные из них инструменты могут работать при больших скоростях резания без потери своих свойств.

Чем больше скорость резания, тем выше температура разогрева режущей части инструмента. Углеродистые, а также большинство легированных инструментальных сталей при температурах 250– 300°С теряют свою твердость вследствие изменения структуры, поэтому не могут использоваться для изготовления инструмента, работающего при больших скоростях резания.

Замечательное свойство быстрорежущих сталей — высокая красностойкость, т.е. способность сохранять высокую твердость и режущую способность при нагревании до 600–650°С. Это свойство выделяет быстрорежущие стали из числа всех других инструментальных сталей. Красностойкость определяется в основном двумя факторами: химическим составом и термической обработкой. Быстрорежущие стали имеют сложный химический состав. Наиболее важным легирующим элементом их является вольфрам (6–18%). Они содержат также ванадий (1–5%).Вольфрам и ванадий почти целиком находятся в виде карбидов, которые, растворяясь в кристаллической решетке железа, обеспечивают красностойкость сталей. Во все быстрорежущие стали входит хром (3–4,5%), большая часть которого растворяется в кристаллической решетке железа. Содержащиеся в быстрорежущих сталях легирующие элементы уменьшают критическую скорость закалки, в результате чего стали становятся самозакаливающимися – они закаливаются даже при охлаждении на воздухе. Некоторые быстрорежущие стали содержат кобальт, который повышает их красностойкость, так как препятствует разрастанию карбидов при нагревании. Однако с увеличением содержания кобальта и ванадия стали плохо шлифуются, повышается их чувствительность к обезуглероживанию. Для того чтобы придать быстрорежущим сталям высокие режущие свойства, их подвергают термической обработке по специальному режиму, который отличается от термической обработки других инструментальных сталей.

Для быстрорежущих сталей принят (ГОСТ 19265-73) следующий принцип маркировки: в начале марки стрит буква Р, следующая за ней цифра указывает среднее содержание вольфрама в процентах, содержание ванадия (в процентах) показывает цифра, стоящая за буквой Ф, молибдена — цифра за буквой М, кобальта – цифра за буквой К. Содержание хрома в марке не указывается, так как оно примерно одинаково у сталей всех марок. Если ванадия содержится менее 2%, он также не указывается. Быстрорежущие стали имеют в своем составе от 0,7 до 1,55% углерода (тем выше, чем больше содержится ванадия). Например, марка стали Р18К5Ф2, это значит, что сталь содержит 18% вольфрама, 5% кобальта, 2% ванадия.

Быстрорежущие стали условно можно разделить на две группы: первая группа — стали, не содержащие кобальта, вторая группа — стали, содержащие повышенное количество кобальта и ванадия. Быстрорежущие стали подразделяются на горячекатаную кованую, калиброванную и серебрянку.

Марки быстрорежущих сталей, их краткие характеристики и области применения:

• Р18 — удовлетворительная прочность и шлифуемость, широкий интервал оптимальных закалочных температур; предназначена для изготовления всех видов режущего инструмента, используемого при обработке конструкционных материалов;
• Р12 — близка по свойствам к стали марки Р18, но имеет более высокую износостойкость и повышенную пластичность при горячем деформировании, шлифуемость удовлетворительная; назначение — такое же, как и стали марки Р18;
• Р9 — повышенная износостойкость и пластичность при температурах горячей деформации, более узкий интервал оптимальных закалочных температур, шлифуемость ниже, чем у стали марки Р18; применяется для изготовления инструмента простой формы, но требующего сложной шлифовальной обработки; таким инструментом обрабатывают обычные конструкционные материалы;
• Р6МЗ — повышенная прочность, склонность к обезуглероживанию, повышенная пластичность при горячем деформировании, узкий интервал оптимальных закалочных температур, шлифуемость ниже, чем у стали марки Р9; из этой стали изготовляют инструмент небольшого сечения, а также инструмент, работающий с ударными нагрузками при обработке обычных конструкционных материалов;
• Р6М5 — повышенная прочность, значительная склонность к обезуглероживанию, более узкий интервал оптимальных закалочных температур, чем у стали марки Р18, шлифуемость удовлетворительная; назначение такое же, как и стали марки Р18, однако сталь Р6М5 предпочтительнее использовать для изготовления резьбонарезного инструмента, работающего с ударными нагрузками;
• Р18Ф2 — повышенная износостойкость, более низкая, чем у стали Р18 шлифуемость; из этой стали изготовляют инструмент для обработки материалов повышенной твердости и вязкости; Р14Ф4, Р9Ф5 — повышенная износостойкость, низкая шлифуемость; предназначены для изготовления инструмента, работающего со снятием небольшой стружки (чистовая обработка) при обработке материалов, обладающих абразивными свойствами в условиях нормального нагрева режущей кромки; Р18К5Ф2, Р9М4К8, Р6М5К5 — повышенная вторичная твердость (при отпуске в интервале температур от 550 до 560 о С), износостойкость пониженная, но лучшая, чем у стали марки Р14Ф4, шлифуемость; изготовляемый из этих сталей инструмент применяется для обработки высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного нагрева режущей кромки;
• Р10К5Ф5 — повышенная вторичная твердость, высокая износостойкость, шлифуемость низкая; инструмент из этой стали предназначен для обработки высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, а также материалов, обладающих абразивными свойствами в условиях повышенного нагрева режущей кромки;
• Р9К5 — повышенная вторичная твердость, но пониженная, близкая к стали марки Р9, шлифуемость; инструмент из стали марки Р9К5 используется для обработки сталей и сплавов повышенной твердости и вязкости, а также для работы с ударными нагрузками;
• Р9КЮ — повышенная вторичная твердость, шлифуемость, как у стали марки Р9К5; из этой стали изготовляют режущий инструмент для обработки нержавеющих и жаропрочных сталей, а также сталей с повышенной твердостью и вязкостью.

Стали конструкционные повышенной и высокой обрабатываемости резанием. Обработка металлов резанием — одна из наиболее трудоемких и дорогостоящих операций. На эту операцию приходится 40% заводской себестоимости производства машин. С появлением автоматизированных металлорежущих станков возникла проблема стружкоудаления. Дробление стружки, ее транспортировка оказывают весьма существенное влияние на производительность труда. В связи с этим созданы специальные автоматные стали, способные образовывать ломкую легкосходящую и легкоудаляемую стружку. Это стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием. В процессе их обработки получается чистая поверхность, снижается износ металлорежущего инструмента. Высокая обрабатываемость таких сталей достигается за счет увеличения содержания серы и фосфора (до 0,35%), а также введения свинца (до 0,35%). ГОСТ 1414-75 предусматривает марки автоматных сталей, которые объединены в шесть групп: 1-я — углеродистые сернистые А11, А12, А20, АЗ0 и А40Г; 2-я — углеродистая свинецсодержащая АС40; 3-я — углеродистые сернистоселенистые А35Е и А45Е; 4-я — хромистая сернистоселенистая А40ХЕ; 5-я — сернистомарганцовистые свинецсодержащие АС14, АС35Г2 и АС45Г2; 6-я — легированные свинецсодержащие АС12ХН, АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ, АСЗОХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ.

Буквы в марках сталей обозначают: А — автоматная сернистая, АС — автоматная свинецсодержащая. В остальном обозначения соответствуют принятым ГОСТ 4543-71.

Автоматные стали применяются в крупносерийном и массовом производствах. Из них изготовляют детали неответственного назначения для автомобильной и тракторной промышленности (крепеж, оси, втулки и др.).

Рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959-79) используют для изготовления пружин, рессор, пружинных шайб, гибких мембран, сильфонов и других аналогичных деталей, которые должны обладать высоким пределом упругости, усталостной стойкостью к многократным нагружениям, достаточными пластическими свойствами. Эти стали выпускаются в виде проволоки и полос различного сечения. В зависимости от основного легирующего элемента их подразделяют на углеродистые — 65, 70, 75, 85; марганцовые — 60Г 65Г, 70Г, 55ГС; кремнистые — 50С2, 55С2, 55С2А, 60С2 60С2А, 70СЗА; хромомарганцовые — 50ХГ, 50ХГА 55ХГР; хромованадиевую — 50ХФА; хромомарганцовованадиевую — 50ХГФА; хромокремневанадиевую – 60С2ХФА; хромокремнистые — 60С2ХА, 50ХСА; вольфрамокремнистую — 65С2ВА; никелькремнистую — 60С2Н2А; кремнемарганцовую — 60СГА и хромокремнистую – 70С2ХА.

Стали для изготовления шариковых и роликовых подшипников. Шариковые и роликовые подшипники изготовляют из высококачественных сталей (ГОСТ 801-78), способных противостоять сложным сосредоточенным и переменным напряжениям, возникающим в зоне контакта шариков или роликов с поверхностью беговых дорожек колец подшипников качения. Стандарт предусматривает четыре марки сталей ШХб, ШХ9, ШХ15 и ШХ15СГ.

Кроме подшипников из высококачественных сталей можно выполнять детали, от которых требуется высокая износостойкость при сосредоточенных переменных нагрузках (детали насосов высокого давления, копиры, ролики, пальцы, xpaповые механизмы).

Стали и сплавы легированные с особыми свойствами. Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы: 20X13, 08X13, 12X13, 25Х13Н2 – изготовление деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов предметов домашнего обихода), деталей, работающий в слабоагрессивных средах (при атмосферных осадкам в водных растворах солей, органических кислот);

• 30X13, 40X13 – производство режущего, мерительного и хирургического инструмента, пружин, карбюраторных игл, клапанных пластин компрессоров, предметов домашнего обихода;
• 14Х17Н12 — применяется в основном в химической и авиационной промышленности; обладает достаточно удовлетворительными технологическими свойствами; наибольшая коррозионная стойкость обеспечивается после закалки с высоким отпуском;
• 95X18 — производство шарикоподшипников высокой твердости для нефтяного оборудования, ножей высшего класса, различных втулок и деталей, испытывающих сильный износ; подвергается закалке с низким отпуском;
• 12X17 — изготовление предметов домашнего обихода, кухонной утвари, оборудования для предприятий пищевой и легкой промышленности; не рекомендуют для производства сварных конструкций; применяется в отожженном состоянии.