Маркировка и классификация легированных сталей

 

Легирующие элементы в сталях обозначаются заглавными буквами русского алфавита. Цифры после букв указывают процентное содержание соответствующего элемента (табл. 7.1).

Таблица 7.1

 

Маркировка легированных конструкционных сталей

Буква	Элемент	Буква	Элемент	Буква	Элемент
А	азот	К	кобальт	Т	титан
Б	ниобий	Н	никель	Ф	ванадий
В	вольфрам	М	молибден	Х	хром
Г	марганец	П	фосфор	Ц	цирконий
Д	медь	Р	бор	Ч	редкоземельный
Е	селен	С	кремний	Ю	алюминий

 

Буква А, стоящая перед началом марки, обозначает марку автоматной стали с повышенным содержанием серы, свинца или селена для улучшения обработки резанием. Буква А, стоящая в середине марки, обозначает легирующий элемент – азот. В конце марки буква А ставится для обозначения высококачественных легированных сталей с пониженным содержанием серы и фосфора.

В обозначении легированных конструкционных сталей в начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за обозначением элемента, показывает его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не более 1,5 %. Например, сталь марки 15Х25Н19ВС2 содержит 0,15 % углерода, 25 % хрома, 19 % никеля, до 1,5 % вольфрама и 2 % кремния.

В обозначении легированных инструментальных сталей в начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. Если углерода более 1 %, то число не указывается. Например: стали Х12М, ХВГ. Далее перечисляются легирующие элементы, с указанием их содержания в процентах.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения, которые указываются в начале марки: быстрорежущие инструментальные стали начинаются с буквы Р, автоматные – с буквы А, шарикоподшипниковые –с буквы Ш, электротехнические – с буквы Э, строительные – с буквы С.

По химическому составу стали делятся в зависимости от того, какими элементами она легирована: хромистая, хромоникелевая и т. д.

По количеству легирующих элементов стали подразделяют на: низко- (до 2,5 %), средне-(2,5–10 %) и высоколегированные (выше 10 %).

По структуре, получаемой при охлаждении стали из аустенитного состояния на воздухе, легированные стали делятся на классы: ферритный, перлитный, бейнитный, мартенситный, аустенитный и ледебуритный (карбидный). Такое деление обусловлено тем, что С-образные кривые под влиянием большинства легирующих элементов смещаются вправо по оси времени (см. рис. 5.1), а температуры начала и окончания мартенситного превращения М_Н и М_К – в область более низких температур. Стали перлитного класса обычно низколегированные (30Х, 55С2), мартенситного – среднелегированные (40Х13, Р6М5), аустенитного – высоколегированные (120Г13, 55Х20Г9АН4).

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

 

Конструкционные стали

Стали, из которых изготовляют детали машин и механизмов, строительные конструкции, газо- и нефтепроводы, оружие и военную технику, обрабатывающие станки, экскаваторы, морские суда, бытовую технику и многое другое, называются конструкционными. Они бывают низко- (0,1–0,25 %) и среднеуглеродистые (0,3–0,6 %). Легирующие элементы добавляют для увеличения прокаливаемости (Cr, Mn, Mo), снижения порога хладноломкости (Ni) и т. д.

Строительные стали для сварных металлоконструкций и арматурные для армирования железобетонных конструкций.

Свариваемые строительные стали предназначены для изготовления конструкций мостов, ферм, котлов, газо- и нефтепроводов и т. д. Отличительное технологическое свойство – хорошая свариваемость, которая зависит от содержания углерода (не более 0,25 %). Используют низколегированные, низкоуглеродистые стали: 09Г2С, 17ГС, 15ГФ, 14Г2АФД, 10ХСНД и др. Недостаток – низкая хладостойкость. Проблема повышения прочности и надежности при эксплуатации в Сибири и районах крайнего Севера решается с помощью применения низколегированных сталей (18Г2С, 25Г2С, 35ГС), упрочненных и неупрочненных.

Арматурные строительные стали предназначены для изготовления: ненапряженных железобетонных конструкций – стали обыкновенного качества (Ст3, Ст5); предварительно напряженных – средне- и высокоуглеродистые стали в горячекатаном состоянии, упрочненные.

Автоматные стали специально созданы для изготовления деталей в массовом производстве (например, крепежные изделия). Изготовление деталей должно быть высокотехнологичным, производительным, с высокими требованиями по размерам и чистоте поверхности. От материала не требуются высокие механические свойства. Стали содержат (0,08–0,45 %) углерода, повышенное количество серы (0,1–0,3 %), фосфора (0,05 %), марганца (0,7–1,0 %), а также селен, кальций, свинец. Стали маркируют буквой А и цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30. Присутствие свинца (0,15–0,3 %) обозначается буквой С (АС11, АС14), кальция – буквой Ц (АЦ45Х, АЦ40Г2), селена – буквой Е (А35Е).

Сера находится в виде неметаллических включений – сульфидов, которые нарушают сплошность металла в зоне резания и способствуют получению легко ломающейся стружки. Фосфор повышает твердость феррита, что также способствует образованию хрупкой стружки, уменьшению налипания на режущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой поверхности.

В легированных автоматных сталях повышенной обрабатываемости включения свинца, селена, теллура и кальция играют роль смазки и препятствуют схватыванию инструмента с материалом заготовки. Это облегчает образование и отделение стружки. Для увеличения скорости резания свинец заменяют селеном.

Для получения высоких механических свойств автоматные стали, дополнительно легируют марганцем (чтобы не проявлялась красноломкость), кремнием, хромом, молибденом: АС30ХМ, АС38ХГМ.

Цементуемые стали. Для изготовления деталей, подвергаемых цементации или нитроцементации, используются малоуглеродистые (до 0,25 % С) низко- и среднелегированные стали. Легирование хромом (стали 15Х, 20Х) позволяет применять после цементации закалку в масло вместо закалки в воду. Это уменьшает коробление и образование трещин. Увеличение степени легирования хромом, никелем, молибденом, вольфрамом увеличивает прокаливаемость крупногабаритных изделий (стали 20ХН, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 30ХМА).

Улучшаемые стали – основным методом упрочнения изделий по всему сечению является улучшение (закалка с высоким отпуском). Первая группа – углеродистые стали (35, 40, 45, 50), которые прокаливаются насквозь при диаметре до 12 мм. Они применяются для изготовления изделий малых сечений. Вторая группа – хромистые стали (30Х, 40Х), у которых критический диаметр при закалке в масле составляет 15–30 мм. В третью группу входят стали типа 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых критический диаметр 30–60 мм. Четвертая группа – стали типа 40ХН, 40ХНМ – 35–70 мм. Пятая группа – комплексно легированные стали, например, 38ХН3МФА – до 200 мм.

Азотируемые стали относятся к группе улучшаемых сталей, поскольку в процессе азотирования они подвергаются нагреву до температур, соответствующих высокому отпуску.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, при достаточной пластичности и вязкости. Стали содержат 0,5–0,75 % углерода и подвергаются термической обработке – закалке и среднему отпуску – или деформационному упрочнению (наклепу). Углеродистые стали 65Г, 70, 75 и У10 применяют для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих невысокие напряжения.

Стали для пружин и рессор также дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (1,2 %), хромом (1,2 %), ванадием (0,25 %), вольфрамом (1,2 %) и никелем (1,7 %). Происходит измельчение зерна и увеличение сопротивления стали малым пластическим деформациям.

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70СЗА, поскольку кремний повышает прокаливаемость. Стали имеют высокие пределы текучести и упругости, однако подвергаются обезуглероживанию. Для повышения прокаливаемости и торможения роста зерна при нагреве в кремнистые стали вводят хром, ванадий, вольфрам и никель. Лучшими технологическими свойствами обладает сталь 50ХФА, используемая для изготовления автомобильных рессор. Для повышения прокаливаемости этой стали вводят марганец (50ХГФА). Стали типа 50ХА, 50ХФА, 55ХГР обладают повышенной усталостной прочностью при рабочих температурах до 300 °С.

Для изготовления пружин используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

Стали для шариковых и роликовых подшипников. Основной причиной выхода из строя подшипников является контактная усталость металла – выкрашивание частиц и отслаивание тонких пластин (шелушение). На поверхности возникают дефекты в виде мелких «язв». Стали для подшипников должны обладать высокой твердостью, прочностью. Это достигается повышением качества металла: очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец малых сечений используют шарикоподшипниковую (Ш) хромистую (Х) сталь ШХ15 (около 1 % углерода и 1,5 % хрома), больших сечений – сталь повышенной прокаливаемости – ШХ15СГ. Для повышения прокаливаемости добавляют марганец (1 %) и кремний (0,5 %). Отжиг необходим для улучшения обрабатываемости резанием и штампуемости деталей в холодном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки в масле от 850 °С и низкотемпературного отпуска при 150–170 °С в течение 1–2 часов. Достигается твердость не ниже 62 HRC. Подшипники, работающие в агрессивных средах, изготавливают из нержавеющих сталей с высоким содержанием хрома (95Х18, 110Х18).

 

Инструментальные стали

Стали предназначены для изготовления различных инструментов: режущего, штампового и мерительного. Инструмент работает в условиях высоких контактных нагрузок и трения с обрабатываемым металлом. Для обеспечения требуемой точности изготовления геометрия и свойства режущей кромки не должны изменяться в процессе работы. Материал должен обладать высокой твердостью (60 HRC), износостойкостьюи достаточной ударной вязкостью, чтобы сохранять геометрию режущей кромки и сопротивляться разрушению при динамических нагрузках.

При резании происходит нагрев режущей кромки инструмента. Поэтому основное требование, предъявляемое к инструментальным материалам – теплостойкость (красностойкость) – способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве. По назначению и теплостойкости выделяют несколько подгрупп сталей: а) для режущего инструмента, работающего с небольшим разогревом, до 350 °С (стали ХМФ, 9ХС); б) для режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, с разогревом до 500–650 °С (быстрорежущие стали Р18, Р9, Р6М5); в) для штампов холодного деформирования (стали ХВГ, Х6ВФ); г) для штампов горячего деформирования (стали ХВ4Ф, Х12МФ); д) для измерительного инструмента (стали 9Х1, 9ХВГ) и т. д.

Износостойкие стали предназначены для работы в условиях интенсивного трения. Чем выше твердость и чем больше содержится твердых карбидов, тем выше сопротивление материала истиранию. Эти стали, как правило, высокоуглеродистые и легированы карбидообразующими элементами: Сr, V, W, Тi (стали Х12, ХВГ, ХВ4Ф и др.). Типичный представитель – высокомарганцовистая высокоуглеродистая сталь Гадфильда (120Г13). При содержании 13 % марганца точки М_Н и М_К на С-образной диаграмме (см. рис. 5.1) смещены в область отрицательных температур. Структура литой стали представляет аустенит с выделившимися по границам зерен избыточными карбидами марганца (Mn₃C), снижающими прочность. Для получения однофазной аустенитной структуры отливки закаливают в воде от 1050–1100 °С. После закалки сталь имеет высокую пластичность и низкую твердость. Пластическая деформация вызывает явление наклепа и выделение карбидов, что эффективно упрочняет сталь. Твердость стали возрастает с 200 до 600 НВ. Высокая износостойкость достигается не только деформационным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной (e) или ромбоэдрической (e') решеткой. Из высокомарганцовистых сталей изготавливают изделия, работающие в условиях износа с одновременным действием высоких давлений и ударных нагрузок: железнодорожные стрелки, гусеничные траки, детали камнедробилок.

Быстрорежущие стали применяются для изготовления инструмента, работающего при значительном нагружении и нагреве (600 °С) режущих кромок. Стали легированы карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием.

Маркируются буквой «Р» (rapid – быстрый) и числом, показывающим содержание вольфрама, затем идут буквы и цифры, указывающие другие легирующие элементы и их количество. В марках быстрорежущих сталей не указывают содержание углерода (около 1 %), хрома (~4 %), ванадия (~2 %), молибдена (до 1 %). Например, Р18, Р9К5 и др.

После прокатки или ковки быстрорежущие стали подвергают отжигу для снижения твердости и повышения обрабатываемости резанием. Сталь выдерживают при 800–850 °С до полного превращения аустенита в перлитно-сорбитную структуру с избыточными карбидами. Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности и вязкости инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска.

Для предотвращения образования трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности стали, нагрев под закалку проводят с одним или двумя промежуточными прогревами в расплавах солей. Инструменты простой формы закаливают в масле, сложной – в расплавах солей (KNO₃, NaNO₃) при 250–400 °С.

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита (0,3–0,4 % углерода), нерастворенных при нагреве избыточных карбидов, остаточного аустенита (20–30 %). Последний снижает твердость и режущие свойства инструмента, поэтому его присутствие недопустимо.

При последующем отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550–570 °С в течение 45–60 мин. Число отпусков может быть сокращено после обработки стали холодом, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты простой формы. Твердость после закалки 62–63 HRC, после отпуска она повышается до 63–65 HRC.

Для дальнейшего повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости режущих инструментов применяют цианирование, азотирование, обработку паром и другие технологические операции поверхностного упрочнения. Их выполняют после окончательной термообработки, шлифования и заточки инструментов.

 

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: