Маркировка

Легированные стали маркируют сочетанием цифр и букв, обо­значающих химические элементы в составе стали. Цифры, распо­ложенные перед буквенной частью маркировки, показывают со­держание углерода в стали. Первые две цифры показывают содер­жание углерода в сотых долях процента, однозначное число — в десятых долях процента. При содержании углерода около 1 % цифру перед буквенными обозначениями опускают.

Содержание углерода в легированной стали, как и в случае углеродистой стали, характеризует ее назначение (инструменталь­ная сталь или конструкционная).

Обратим внимание, что по числу цифр или по их отсутствию перед буквенной частью маркировки можно определить назначе­ние легированной стали. Однозначное число и его отсутствие ука­зывает, что данная марка стали рекомендуется для изготовления инструмента. Неоднозначные числа в начале маркировки показы­вают, что сталь имеет конструкционное назначение.

Для маркировки используют обозначение введенных в состав стали легирующих элементов буквами русского алфавита: Н — никель; X — хром; К — кобальт; М — молибден; Г — марганец; Д — медь; Р — бор; Б — ниобий; Ц — цирконий; С — кремний; П — фосфор; Ч — редкоземельные металлы; В — вольфрам; Т — титан; Ф — ванадий; Ю — алюминий.

Первые цифры в маркировке сталей указывают среднее содер­жание углерода: в сотых долях процента в конструкционных ста­лях; в десятых долях процента в инструментальных сталях.

Цифры, стоящие после буквы, указывают содержание данного химического элемента в процентах. Отсутствие цифры после бук­вы означает, что содержание данного элемента в стали около 1 %. Исключения составляют те химические элементы, содержание которых в стали, при отсутствии стоящих за буквенными обозна­чениями элемента цифр, составляет соответственно десятые (ти­тан Т, цирконий Ц, ниобий Б, ванадий Ф, молибден М) и ты­сячные (бор Р) доли процента.

Маркировка сложнолегированных сталей несколько отличает­ся от маркировки легированных сталей конструкционного и ин­струментального назначения.

Например, шарикоподшипниковые стали обозначают буквой Ш, быстрорежущие — буквой Р (от англ. rapid — быстрый), авто­матные — буквой А, которые ставят в начале буквенной части маркировки.

Легированные стали обыкновенного качества не выпускают. Высококачественные и особовысококачественные легированные стали обозначают соответственно буквами А и Ш в конце марки­ровки. Буква А, находящаяся в начале маркировки, обозначает автоматную сталь.

Особовысококачественные стали (содержание вредных приме­сей — менее 0,015 % серы и менее 0,025 % фосфора) получают в процессе электрошлакового переплава стали, что нашло отраже­ние в маркировке сталей этой группы в виде буквы Ш, после дефиса в конце марки. Остальные легированные стали относятся к группе качественных сталей.

При описании легированных сталей вместо текстового назва­ния химических элементов используют их символы, которые при­ведены в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. На примере маркировки ряда легированных сталей рассмотрим, ка­кую информацию она содержит.

12Х18Н9Т — 0,12% С, т.е. сталь имеет конструкционное на­значение; 18 % Сr; 9 % Ni; 0,1 % Ti; сталь качественная, т.е. содер­жание S и Р не более 0,04 % каждого;

9ХС — 0,9% С, т.е. сталь инструментальная; 1 % Сr; 1 % Si; сталь качественная, т.е. S и Р< 0,04% каждого;

ХВГ — 1 % С, т.е. сталь инструментальная; 1 % Сr; 1 % W; 1 % Мn; сталь качественная, т.е. S и Р < 0,04 % каждого;

38Х2МЮА — 0,38 % С, т.е. сталь конструкционная; 2 % Сr; 0,1 % Mo; 1 % А1; сталь высококачественная, т.е. S и Р < 0,03 % каждого;

08Х13-Ш — 0,08 % С, т.е. сталь конструкционная; 13 % Сr; сталь особовысококачественная, т. е. S и Р < 0,025 % каждого;

ШХ15 — 1 % С, шарикоподшипниковая сталь; 1,5% Сr; сталь качественная, т.е. S и Р < 0,04 % каждого. Обратим внимание, что содержание хрома в марке ШХ15 не 15 %, как было бы при отсут­ствии буквы Ш в начале маркировки, а 1,5 %;

Р18 — 1 % углерода, быстрорежущая сталь, 18 % W; сталь каче­ственная, т.е. S и Р < 0,04% каждого. Обратим внимание, что наличие вольфрама в маркировке не отражено буквенным обо­значением. В быстрорежущей стали первые цифры всегда обозна­чают содержание вольфрама.

Экспериментальные марки сталей до накопления данных, не­обходимых для их включения в ГОСТ, маркируют сочетанием букв ЭИ или ЭП и цифр, означающих порядковый номер марки стали. Первая буква обозначает завод, выпускающий данную марку ста­ли, вторая — характеризует уровень отработанности технологии производства данной марки: исследовательская или пробная. Ин­формация о химическом составе стали в маркировке отсутствует. Например, ЭИ415 — исследовательская марка стали, выпускае­мая заводом ОАО «Электросталь», порядковый номер марки 415.

Классификация

Легированные стали по структуре делят на пять классов: пер­литный, ферритный, аустенитный, ледебуритный и мартенситный.

Стали перлитного класса. В равновесном состоянии, которое достигается путем отжига с последующим медленным охлажде­нием, структура низколегированных сталей соответствует диаг­рамме состояния железо — углерод. В зависимости от содержания углерода различают низколегированные доэвтектоидные стали со структурой Ф + П (на рис. 8, а показан левый нижний угол диаграммы состояния железо — углерод), эвтектоидные, имеющие структуру П [Ф + Ц], и заэвтектоидные со структурой П + Ц_II. Вследствие наличия перлита в структуре этих сталей при любом содержании углерода их относят к перлитному классу. Стали перлитного класса(или перлитные стали) содержат до 5 % легирую­щих элементов. Как наиболее дешевые они широко применяются в технике в качестве материалов конструкционного и инструмен­тального назначения. Например, конструкционную сталь 10ХСНД широко применяют в судостроении и мостостроении, а также для изготовления несущих конструкций других инженерных сооруже­ний, испытывающих переменные динамические нагрузки в усло­виях суточных и сезонных теплосмен. Из инструментальных ста­лей отметим сталь ХВСГ, которую широко используют для изго­товления длинномерного режущего инструмента большого попе­речного сечения.

Стали ферритного класса. Под влиянием определенных леги­рующих элементов диаграмма состояния железо — углерод видо­изменяется. Введение в состав стали таких легирующих элемен­тов, как Сr, Mo, W, V, Si, Ti и др., в количестве выше опреде­ленного значения приводит к расширению однофазной области [Ф] (рис. 8, б). Данные легирующие элементы называют элемен­тами, расширяющими область твердого раствора углерода в Fe_α (расширяющими ферритную область). Стали, легированные эти­ми элементами в концентрации выше предельного значения X, называют сталями ферритного класса, или ферритными сталями.

Примером является сталь 08X13 — наиболее дешевая коррози­онно-стойкая сталь, которую применяют для изготовления лопа­ток паровых турбин.

Стали аустенитного класса. Введением в состав стали легирую­щих компонентов Ni или Мn достигается расширение однофаз­ной области [А] (рис. 8, в). Эти легирующие элементы называют элементами, расширяющими область Fe_γ, или область аустенитной фазы [А], так как твердый раствор углерода в γ-железе — это аустенит. При содержании данных легирующих элементов выше предельного значения Y легированные Ni и/или Мn стали отно­сятся к сталям аустенитного класса и называются аустенитными. Примером может быть конструкционная сталь 12Х18Н10Т, кото­рую широко применяют для изготовления технологического обо­рудования химической, пищевой и других отраслей промышлен­ности.

Рис. 8. Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение железа с образованием легированных сталей перлитного (а), ферритно-го (б) и аустенитного (в) классов (показаны соответствующие области диаграммы состояния железо — углерод):

G, S, Р, Q — стандартные точки диаграммы состояния железо—углерод; [А], [Ф], [Ф + А] — однофазные области аустенита (Fe_γ), феррита (Fe_α) и двухфазная область со структурой Ф + А (феррит Fe_α и аустенит Fe_γ); П[Ф + Ц] — перлит (эвтектоидная смесь феррита и цементита); Ф + П, П + Ц_II — структурные составляющие доэвтектоидной и заэвтектоидной стали; X, Y — предельная кон­центрация легирующих элементов в стали ферритного и аустенитного класса соответственно

Аустенитные стали обладают всеми свойствами аустенита. Од­ной из особенностей аустенита является отсутствие у него маг­нитных свойств, он немагнитен. Стали аустенитного класса также немагнитны. Но в отличие от аустенита, который в углеродистых сталях существует только при температурах выше температуры критической точки Ас₁ легированные стали аустенитного класса немагнитны и при нормальных температурах, так как содержат аустенит в структуре и при низких температурах.

Магнитные свойства могут служить простейшим диагностичес­ким критерием для разделения легированных сталей ферритного и аустенитного классов: ферритные стали притягиваются магни­том, а аустенитные стали не притягиваются.

Особенностью высокотемпературного поведения сталей фер­ритного и аустенитного классов при содержании в них соответ­ствующих легирующих элементов выше предельных значений Х и Y соответственно является отсутствие полиморфного превраще­ния Fe_α ↔ Fe_γ. Это означает, что такие стали в отличие от углеро­дистых в процессе термической обработки не могут образовывать пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_α, т.е. не поддаются закалке с целью получить в структуре мартенсит закалки и соот­ветствующее повышение твердости. Тем не менее стали ферритного и аустенитного классов подвергают термической обработке в виде нагрева до температур 1050...1200°С и быстрого охлаждения в воде, масле или на воздухе. Такая термическая обработка сталей ферритного и аустенитного классов также носит название закал­ки, но в отличие от термической обработки углеродистых сталей в данном случае упрочнения стали добиваются выделением мел­кодисперсных включений.

Высокотемпературный нагрев этих сталей проводят с целью максимального растворения легирующих элементов в феррите или аустените, а при быстром охлаждении образовавшуюся струк­туру успевают зафиксировать. Отпуск или старение в таком слу­чае проводят путем повторного нагрева быстро охлажденной стали до температур 600...800⁰С с последующей длительной выдерж­кой при конечной температуре повторного нагрева с целью при­близить структуру стали к равновесному состоянию, что сопро­вождается выделением дисперсных включений упрочняющей фазы.

Стали ледебуритного класса. В железоуглеродистых сплавах ле­дебурит является характерной структурной составляющей белых чугунов. Однако под влиянием добавок некоторых легирующих элементов, таких как вольфрам W и другие карбидообразующие элементы, диаграмма состояния железо — углерод де­формируется: точки Е и S смещаются влево (рис. 9) и, таким образом, ледебурит, присутствующий в железоуглеродистых спла­вах только в структуре чугунов, появляется в структуре легиро­ванной стали. К сталям ледебуритного класса относятся быстроре­жущие стали, например, сталь Р18.

Обычно в структуре превращенного ледебурита при нормаль­ной температуре присутствует цементит (Л*(П + Ц)). Цементит входит также и в состав перлита П [Ф + Ц]. Цементит обладает высокой твердостью, но весьма хрупок. Низкая пластичность ледебурита является основ­ным препятствием для применения белых чугунов в технике.

В сталях ледебуритного класса структура ледебурита видоизме­няется. Вследствие наличия в стали карбидообразующих элемен­тов вместо цементита в составе как превращенного ледебурита, так и перлита образуются спецкарбиды, т. е. структурной состав­ляющей сталей ледебуритного класса является Л*(П + К), содер­жащий спецкарбиды. Поэтому в отличие от ковкого чугуна леги­рованные стали ледебуритного класса могут подвергаться обра­ботке давлением. Так, ковка слитка ледебуритной стали является обязательной технологической операцией в процессе изготовле­ния из нее инструмента.

Рис. 9. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния желе­зо—углерод при образовании легированных сталей ледебуритного класса (показана соответствующая область диаграммы): G, S, Е, Р, Q — стандартные точки диаграммы; S', Е' — смещенные положения точек S и Е в результате легирования вольфрамом и другими карбидообразующими элементами; П, К_II, Л* (П + К) — перлит, вторичные спецкарбиды и ледебурит превращенный, в составе которого также спецкарбиды

Стали мартенситного класса. Данные стали являются модифи­кацией легированных сталей ферритного класса. Повышение со­держания углерода расширяет аустенитную область на диаграмме состояния сталей ферритного класса. При равном содержании ле­гирующих элементов, например 13% Сr (рис. 10), при соответ­ствующем содержании углерода в стали оказывается возможным нагреть ее до аустенитного состояния. Аустенит при охлаждении со скоростью выше критической скорости закалки превращается в мартенсит закалки.

Рис. 10. Границы аустенитной области в легированных хромом сталях мартенситного класса в зависимости от содержания углерода

Стали конструкционного назначения

В зависимости от областей применения легированных конструкционных сталей различают строительные и машиностроительные стали.

Строительные стали. Для изготовления несущих конструкций промышленных зданий и сооружений, периодического профиля, для армирования железобетонных конструкций, для изготовления сварных труб большого диаметра, предназначенных для магистральных нефте- и газопроводов, для создания тяжелонагруженных сварных конструкций, для строительства мостов и других сооружений используют строительные стали.

Детали строительных конструкций соединяют преимущественно термической сваркой, поэтому основным требованием к строительным сталям является их хорошая свариваемость. Это требование обеспечивается низким содержанием углерода в стали. Низколегированные строительные стали содержат до 0,25 % углерода.

Для целостности и прочности сварного соединения, прежде всего, опасны трещины, которые могут возникнуть при сварке.

Не менее важны требования к строительным сталям, связанные с экономическими показателями — строительная сталь должна быть дешевой. Данное требование приобретает очень большое значение в связи с постоянно растущими производством и по­треблением строительных сталей. Оно обеспечивается введением недефицитных легирующих элементов в суммарном количестве до 3 %. Основными легирующими элементами строительных сталей являются марганец и кремний, с микродобавками ванадия, ниобия, титана, алюминия и азота. В результате легирования прочность строительных сталей повышается, т.е. использование низколегированных относительно дешевых строительных сталей позволяет экономить до 30 % металла, что определяет в большой степени преимущества их применения. Кроме того, низколегированные строительные стали обладают низким значением порога хладноломкости. Например, строительная сталь марки 10ХСНД обеспечивает работоспособность изготовленных из нее конструкций при температуре до -60 °С. Данная сталь обладает также атмосферостойкостью, т.е. она может эксплуатироваться в атмосферных условиях без защитного окрашивания. Наличие в стали малых добавок кремния, никеля и меди модифицирует образующуюся на ее поверхности ржавчину. Модифицированная ржавчина имеет хорошую адгезию с поверхностью стали и достаточно высокую плотность, чтобы предотвратить дальнейшее проникновение химически активных компонентов воздушной среды (кислорода и паров воды) в толщу металла. Модифицирование ржавчины развивается постепенно в течение нескольких (до трех) лет, после этого срока процесс коррозии (ржавления) стальной конструкции приостанавливается.

Строительные стали обладают высокой пластичностью, т.е. могут обрабатываться давлением и резанием.

Высокие технологические и прочностные свойства низколегированных строительных сталей достигаются в результате дисперсионного упрочнения карбонитридами легирующих элементов. Дисперсионное упрочнение проводится на стадии производства металлопродукции.

Достоинства легированных сталей наиболее полно проявляются после их термической обработки. Строительные стали подвергают нормализации или закалке с последующим низким отпуском.

Машиностроительные стали. Машиностроительные стали при­меняют преимущественно для изготовления деталей машин и тех­нологического оборудования ответственного назначения.

В зависимости от вида упрочняющей термической обработки конструкционные стали делят на две группы: цементуемые и улуч­шаемые.

Цементуемыестали — это низкоуглеродистые стали с содер­жанием углерода до 0,25 %. К этой группе относятся углеродис­тые, а также низко- и среднелегированные стали.

Цементуемые стали предназначены для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания рабочей по­верхности в результате ее взаимодействия с контактирующей де­талью, т.е. испытывающих высокие динамические и статические нагрузки.

Для повышения износостойкости поверхностного слоя детали ее подвергают насыщению углеродом с последующими закалкой и низким отпуском. Наиболее распространенным способом для выполнения данной технологической операции является цемен­тация, что и послужило основанием для названия сталей этой группы цементуемыми.

Высокие механические свойства сердцевины детали могут быть обеспечены только в процессе термической обработки. Поэтому для цементуемых сталей прокаливаемость определяет возможность использовать ее для изготовления деталей ответственного назна­чения.

Для деталей простой формы и небольших размеров использу­ют углеродистые стали. Детали больших сечений изготовляют из легированных сталей, причем, чем больше размер детали, тем более легированную сталь следует назначать для обеспечения бо­лее высокой прокаливаемости.

Хромистые стали типа 20Х наиболее дешевые из сталей данной группы. Прокаливаемость их невелика, поэтому хромистые стали применяют для изготовления мелких деталей сечением до 25 мм, испытывающих в процессе эксплуатации средние нагрузки.

Отметим, что одинаковое с углеродистыми сталями значение критического диаметра (25 мм) получено в данном случае при охлаждении в масле, а не в воде, как принято для углеродистых сталей. Это дает заниженные результаты. Исполь­зование масла в качестве охлаждающей среды при закалке хроми­стых сталей позволяет применять их для изготовления мелких де­талей более сложной конфигурации, чем при использовании уг­леродистых сталей.

Хромоникелевые стали, например 12ХНЗА, применяют для изго­товления крупных деталей сечением до 100 мм. Однако легирова­ние никелем повышает стоимость стали, поэтому хромоникеле­вые стали рекомендуют только для деталей ответственного назна­чения. Для снижения стоимости стали никель в ряде случаев заме­няют более дешевым марганцем.

Хромомарганцевые стали, например 18ХГТ и 25ХГТ, нашли широкое применение в отраслях массового машиностроения, та­ких как автомобилестроение, станкостроение для изготовления зубчатых колес и шестерен.

Улучшаемые стали содержат 0,3...0,5 % углерода и разное ко­личество легирующих элементов. После отжига структура их со­стоит из феррита и перлита, содержание которого тем выше, чем больше углерода и легирующих элементов в стали. Из названия сталей следует, что они подвергаются термической обработке улуч­шением, которая состоит из закалки и высокого отпуска.

После улучшения стали приобретают структуру сорбита отпус­ка, который хорошо воспринимает ударные нагрузки. Поэтому улучшаемые стали рекомендуют использовать для изготовления деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Кроме того, они имеют низкий порог хладноломкости и могут быть ре­комендованы для изготовления машин в северном исполнении.

Стали для деталей выбирают по прокаливаемости, так как ме­ханические свойства сталей разных марок после улучшения в слу­чае сквозной прокаливаемости практически одинаковы. Чем больше в стали легирующих элементов, тем больше прокаливаемость и, следовательно, чем больше сечение детали, тем более легирован­ную сталь нужно выбирать.

Углеродистые улучшаемые стали характеризуются небольшим критическим диаметром при закалке, поэтому их применяют для деталей небольших сечений, работающих при невысоких нагруз­ках.

Хромистые стали типа 40Х получили широкое применение. При закалке в масле они прокаливаются в сечении до 30 мм. Хроми­стые стали применяют для машиностроительных деталей неболь­ших сечений.

Хромоникелевые стали, например 40ХН, обеспечивают высо­кий уровень механических свойств в деталях сечением до 70 мм. В сочетании с хромом никель обеспечивает высокую прокаливае­мость стали и хорошую ее закаливаемость. Такие стали применяют для высоконагруженных деталей, испытывающих ударные и зна­копеременные нагрузки, например, для изготовления коленча­тых валов. Основной недостаток хромоникелевых сталей — их вы­сокая стоимость.

Хромансилы — это стали, которые наряду с хромом легированы более дешевыми легирующими элементами — марганцем и крем­нием, как например, сталь 35ХГСА. Хромансилы сочетают высо­кие механические свойства и хорошие технологические свойства с экономической конкурентоспособностью, заменяют более до­рогие хромоникелевые стали в деталях малого сечения. Они хоро­шо свариваются, обрабатываются давлением и резанием. Хроман­силы применяют в автомобилестроении для изготовления ответ­ственных деталей сечением до 40 мм (валы, детали рулевого уп­равления) и в самолетостроении в виде листов и труб для свар­ных конструкций.

Основным недостатком сталей, легированных хромом, являет­ся их склонность к отпускной хрупкости II рода, поэтому практи­куемое обычно для относительно мелких деталей быстрое охлаж­дение в случае крупногабаритных деталей неприменимо. Для ра­дикального устранения отпускной хрупкости II рода данные ста­ли легируют молибденом и только такие стали используют для ответственных крупногабаритных деталей сечением до и более 100 мм. Примером является сталь 40ХН2МА.

Если рабочими условиями эксплуатации детали из улучшае­мой легированной стали предусмотрен фрикционный износ ра­бочей поверхности, то ее подвергают азотированию. Сталь 38Х2МЮА специально разработана для осуществления процесса азотирова­ния.

Дата добавления: 2014-01-07