Лекция №10. 10.1. Классификация сталей по химическому составу

10. ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ И ОБОЗНАЧЕНИЯ МАРОК СТАЛей

10.1. Классификация сталей по химическому составу

10.2. Классификация сталей по качеству

10.3. Классификация сталей по применению

10. ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ И ОБОЗНАЧЕНИЯ МАРОК СТАЛей

Стали как наиболее широко применяемый материал представлены в современной технике наибольшим числом марок и классифицируются по следующим главным признакам: по химическому составу, по качеству, по способу производства, по применению.

10.1. Классификация сталей по химическому составу

Классификация по химическому составу применяется преимущественно для конструкционных сталей и различает стали углеродистые, хромистые или сложные - хромоникелевые, хромокремнистые и еще более сложные. Для других сталей - инструментальных, жаропрочных, с особыми физическими или химическими свойствами классификация по химическому составу используется меньше. Это прежде всего вызвано тем, что в настоящее время все более широко используются стали легированные не одним, двумя, а тремя - четырьмя и даже пятью - шестью элементами. В связи с этим, число одних только подгрупп по которым надо классифицировать такие стали по химическому составу возрастает до многих десятков и даже сотен. Это делает подобную классификацию очень громоздкой.

10.2. Классификация сталей по качеству

Классификацияпо способу производства определяет условия металлургического производства и контроля сталей, и прежде всего содержание в них вредных примесей.

1. Стали обыкновенного качества; по химическому составу - это углеродистая сталь, содержащая до 0,6% С. Сталь выплавляется в конвертерах или в больших мартеновских печах, разливается в крупные слитки и является поэтому более дешевой. Эти стали могут иметь повышенное содержание серы и фосфора; оно допускается в некоторых сталях до 0,055 и даже 0,060 % для серы и до 0,050 и даже 0,070 % для фосфора. Ликвация в стали этого класса значительнее, чем в рассматриваемых ниже других сталях. Эти стали могут иметь повышенное (по сравнению со сталью следующих классов) количество неметаллических включений. В катаном состоянии для этой стали характерна полосчатость вдоль направления волокна; она отчетливо выявляется макроанализом и микроанализом. Сталь обыкновенного качества уступает по механическим свойствам сталям других классов. Основным элементом определяющим механические свойства сталей обыкновенного качества является углерод. С повышением его концентрации возрастают прочностные свойства.

В зависимости от назначения и характеристик, гарантируемых металлургическими заводами, эти стали в свою очередь подразделяются на стали, поставляемые по механическим свойствам (группа А); химическому составу (группа В) и по химическому составу и механическим свойствам одновременно(группа С) - мартеновская повышенного качества. По ГОСТ 380-71 стали обыкновенного качества, поставляемые по механическим свойствам, обозначаются марками указанными Ст0, Ст1, СтЗкп. Стали с более высоким номером в марке содержат больше углерода и имеют повышенные прочностные свойства но меньшую вязкость и пластичность. Стали обыкновенного качества распределяются кроме того по способу производства стали: спокойные, полуспокойные, кипящие. Спокойные стали раскисляют в процессе плавки не только марганцем, но и кремнием как более активным раскислителем, и поэтому эти стали содержат пониженное количество кислорода и различных окислов. Содержание кремния в спокойных сталях не должно быть менее 0,15-0,20 %. В присутствии кремния даже в этих относительно малых количествах повышается предел текучести и снижается пластичность. Кипящие стали не раскисляют кремнием. Они содержат его только в качестве примеси <0,1%. Частичное удаление растворенного кислорода происходит при затвердевании за счет его взаимодействия с углеродом стали. Образующиеся при этом пузырьки СО частично всплывают в верхнюю часть слитка (увеличивая обьем металла и вызывая кипение) и частично (в связи с затвердеванием при кристаллизации) остаются с литой стали. Оксид углерода уходит из пузырьков через различные микропоры и микротрещины. При дальнейшей горячей деформации эти пустоты завариваются. Кипящие стали имеют в сравнении со спокойными более низкий предел текучести при одинаковом пределе прочности и лучше принимают в связи с этим холодную прокатку, а затем вытяжку с большей степенью деформации. Кипящие стали применяют в виде листов, подвергаемых глубокой вытяжке в автомобильной и других отраслях промышленности. Однако эти стали более склонны к хрупкому разрушению особенно при низких температурах и их используют при меньших динамических нагрузках. Поскольку повышенная пластичность значительнее при меньшем содержании углерода, то для кипящих сталей устанавливается содержание углерода не более 0,2-0,25%. Кроме того при пониженном содержании углерода лучше завариваются пустоты.

Согласно ГОСТ кипящие стали обозначаются дополнительно буквами КП указываемыми в конце марки. Полуспокойные стали содержат до 0,17% Si и занимают по указанным здесь свойствам промежуточное положение. Они превосходят по пределу текучести кипящие стали и имеют более низкие температуры хрупкости. Полуспокойные стали используют в частности для холодного выдавливания болтов и других деталей. Согласно ГОСТ полуспокойные стали обозначаются дополнительно буквами ПС в конце марки.

2. Стали качественные; по химическому составу это углеродистые или легированные стали, выплавляемые в конвертерах с использованием кислорода для продувки и в основных мартеновских печах с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. Содержание серы и фосфора в качественных сталях не должно превышать 0,035% каждого. Неметаллических включений в этих сталях меньше чем в сталях обыкновенного качества. Колебания в содержании углерода в пределах марки не должно превышать 0,08%. Качественные стали предназначенные для глубокой вытяжки и поставляемые в листах выплавляются как кипящие, а применяемые для холодной высадки - как полуспокойные.

3. Стали высококачественные, по химическому составу - главным образом более легированные стали, выплавляемые преимущественно в электрических а также в кислых мартеновских печах. Содержание серы и фосфора в высококачественных сталях еще меньше и не превышает 0,025% каждого. Стали имеют также повышенную чистоту по неметаллическим включениям. Колебания в содержании углерода в пределах марки должны быть не более 0,07%.

4. Стали особо высококачественные выплавляются в электрических печах с электрошлаковым переплавом и имеют наименьшее содержание фосфора и серы до 0,015%. Содержание углерода и легирующих элементов такое же как и в соответствующих марках высококачественных сталей. В результате элетрошлакового переплава уменьшается также содержание газов в стали. Все это повышает ударную вязкость прежде всего при низких температурах, смещая порог хрупкости к более низким температурам, пластичность и контактную выносливость и позволяет кроме того применять такие стали при более высокой прочности и твердости.

Качественные, высококачественные и особо качественные стали предусмотренные стандартом маркируются следующим образом: содержание углерода указывается в начале марки цифрой отвечающей его среднему содержанию: в сотых долях процента для сталей содержащих до 0,7% С (это конструкционные стали), и в десятых долях процента для сталей, содержащих больше углерода (это инструментальные стали). Соответственно этому, сталь, содержащая 0,07-0,14% С обозначается как сталь 10, сталь с 0,42-0,50% С - как сталь 45 и тд., а сталь с 0,95-1,05% С - как сталь У10 и тд.

Легирующие элементы обозначаются буквами: Н(никель), К(кобальт), Г(марганец), Х(хром), В(вольфрам), М(молибден), Ю(алюминий), С(кремний), Ф(ванадий), Р(бор), Б(ниобий), и А(азот). Буквы пишутся после цифры показывающей содержание углерода. Если после буквы нет цифр, то содержание легирующих элементов стали 1-1,5%. Исключение сделано для молибдена и ванадия, содержание которых в большинстве сталей 0,2-0,3%. Если легирующего элемента больше 1,5%, то цифра после буквы указывает его содержание в процентах. Например марка 15Х обозначает сталь имеющую в среднем 0,15% С и 1,0-1,5% Cr, сталь 35Г2 - 0,35% С и 1,6% Mn. Отличие в обозначении качественных сталей от высококачественных заключается в том что в конце марки высококачественной стали приписывается буква А. Например стали 40ХНМ - качественная, а 40ХНМА - высококачественная. Аналогично особо высококачественная сталь обозначается буквой Ш. У сталей применяемых в виде литья в конце марки приписывается буква Л.

От этих правил существуют отклонения, главным образом для высококачественных сталей; они состоят в следующем. Все инструментальные легированные, а также стали и сплавы с особыми физическими свойствами, нержавеющие и жаропрочные всегда высококачественные (или особо высококачественные); поэтому в марках этих сплавов буква А не указывается. В марках некоторых сталей более узкого применения указывается их назначение. Шарикоподшипниковые хромистые стали обозначаются в начале марки буквами ШХ, содержание хрома в этих сталях указывается в десятых долях процента, а содержание углерода, одинаковое при разном содержании хрома, не указывается; например, сталь ШХ15 содержит в среднем 1% С и 1,5% Cr.

Быстрорежущие (сложнолегированные) стали для упрощения маркировки обозначаются буквой P (режущие); следующая на ней цифра указывает содержание вольфрама - главного легирующего элемента этих сталей. Другие элементы обозначаются как и в остальных сталях, если они присутствуют в количестве более 1% (а хрома в количестве 4%). Электротехнические стали обозначаются 4 цифрами. Подобные же отклонения в обозначениях марок других сталей указаны в таблицах.

Новые стали, еще не включенные в ГОСТ и поставляемые по техусловиям, обозначаются буквами ЭК, ЭП или ЭИ (завод “Элетросталь”), ДИ (“Днепроспецсталь”) и ЗИ (Златоустовский завод) и очередным номером, указываемым металлургическим заводом.

По марочнику SAE (США) конструкционные стали: углеродистые и легированные одним и двумя элементами обозначаются 4 цифрами. Первая указывает основной легирующий элемент, вторая - его содержание в процентах, третья и четвертая - содержание углерода в сотых долях процента. Первая цифра 1 принята для обозначения углеродистых сталей; тогда вторая цифра 0. Первые цифры: 2 обозначает никелевые стали; 3 - никелевые с хромом; 4 - молибденовые; 5 - хромистые; 6 - хромистые с ванадием; 7 - вольфрамовые; 8 - ванадиевые; 9 - кремнистые с марганцем.

Таким образом, сталь 1045 отвечает стали 45 по ГОСТ; сталь 5140 - стали 40Х итд. Для сталей легированных большим числом элементов принято более сложное обозначение.

Классификация по способу производства дает необходимую, но лишь предварительную оценку сталей. К одному большому классу сталей, изготавливаемых в одинаковых условиях металлургического передела, относятся стали различного назначения, от которых требуются разные свойства. Например, к классу высококачественных сталей относятся такие разные по свойствам стали, как большинство машиностроительных, магнитные, инструментальные, нержавеющие и тд.

10.3. Классификация сталей по применению

По применению различают классы сталей: строительные, машиностроительные (конструкционные), машиностроительные спецназначения, инструментальные, с особыми физическими свойствами, с особыми химическими свойствами (устойчивые против коррозии).

1. Стали строительные - углеродистые, а также некоторые низколегированные стали, имеющие невысокое содержание углерода, используются для металлических конструкций и для железобетонных конструкций.

Углеродистые стали - преимущественно рассмотренные выше стали обыкновенного качества. Наиболее характерные из них - конверторные и мартеновские поставляемые по механическим свойствам. Эти стали содержат дешевые легирующие элементы. Целью легирования является повышение закаливаемости и вследствие этого достижение более высоких механических свойств (главным образом предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Для того чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается пределами: С- 0,120,23%; Si -0,171,1%; Mn - 0,41,6%; Cr- 0,30,8%

Это стали марок: 14Г2, 16ГС, 15ХСНД, 18Г2С, 35ГС и др.

2. Стали машиностроительные (конструкционные) общего назначения широко применяются для изготовления разнообразных деталей (валы, оси, червячные колеса) практически во всех областях машиностроения: автомобильной, тракторной, станкостроения.

Наиболее важной характеристикой по которой выбираются эти стали являются механические свойства и распределение их по сечению. Содержание углерода определяет механические свойства сталей этого класса и способность их принимать закалку. В разных марках машиностроительных сталей оно изменяется от 0,05 до 0,65%. Легирующие элементы определяют преимущественно прокаливаемость и закаливаемость и в меньшей степени механические свойства (кроме никеля и молибдена улучшающих вязкость). Для лучшей характеристики свойств и назначения машиностроительные стали целесообразно распределить на: используемые без термической обработки деталей, упрочняемые в поверхностном слое и упрочняемые по всему сечению.

Стали, используемые без упрочняющей термической обработки, главным образом поставляются в листах для последующей штамповки, вытяжки, выдавливания, в трубах и т.п.По химическому составу это стали - углеродистые с пониженным содержанием кремния (кипящие и полуспокойные) и низколегированные. Содержание углерода в них пониженное.

Эти стали поступают после прокатки (нормализованными); прочностные свойства выше у легированных сталей, сильнее упрочняющихся в результате охлаждения с температур прокатки.

Стали, упрочняемые в поверхностном слое пригодны для деталей работающих в условиях повышенного износа и при динамических нагрузках, но при отсутствии очень значительных напряжений. Это связано с тем, что при высокой твердости поверхностного слоя создаваемой термической или химико-термической обработкой стали сохраняют вязкую сердцевину.

Дата добавления: 2014-01-07