Классификация и маркировка сталей

По применению стали, делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные стали

К конструкционным сталям, из которых изготовляют самые разнообразные конструкции, детали машин для различных отраслей промышленности, предъявляют требования высоких механических свойств, технологичности в обработке и дешевизны.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества. Эти стали, подразделяют на три группы: А, Б и В. Стали группы А поставляются промышленностью по механическим свойствам; группы Б - по химическому составу; группы В - по химическому составу и механиче­ским свойствам. Стали, обыкновенного качества маркиру­ется буквами «Ст» и цифрой от 0 до 6.

Для обозначения степени раскисления к обозначению марки стали, после номера марки добавляют индексы: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сн—спокойная, на­пример, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, БСтЗсп, ВСтЗсп. Чем боль­ше номер, тем выше прочность (для стали группы А), больше углерода (для стали группы Б). Стали группы А термической обработке не подвергают, а групп Б и В подвергают.

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех грех групп) предназначаются для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин.

Углеродистые и легированные конструкционные качественные стали. Эти стали, поставляются по химическому составу механическим свойствам. Углеродистые качественные конструкционные стали, маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, 25, .... ,85, которые характеризуют среднее со­держание углерода в сотых долях процента. Эти стали, содержат фосфора не более 0,035% и серы не более 0,040%, кремния (для большинства марок) 0,17—0,37%, а марганца до 0,8%. Выпускаются также, качественные стали с повышенным содержанием марганца (до 1,2%); в этих случаях они маркируются буквой Г: 60Г, 65Г, 70Г.

Легирующие элементы, входящие в состав стали, при­нято обозначать следующими буквами: А - азот, Б - ниобий, В - вольфрам, Г- марганец, Д - медь, Е - селен, М - молибден, Н - никель, Р - бор, С - кремний, Т - титан, Ф - ванадий, Ю - алюминий, К - кобальт, Х - хром, Ц - цирконий.

Для обозначения легированных сталей принято определенное сочетание цифр и букв, В конструкционных легированных сталях первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы - легирующий элемент, а цифры, стоящие за буквами,- содержание элемента в процентах. Если после буквы отсутствует цифра, то содержание данного элемента в стали равно приблизительно 1%. Например, марка стали 55С2 обозначает кремнистую сталь, содержащую в сред­нем 0,55% углерода и 2% кремния.

Для высококачественных сталей, более чистых по со­держанию серы и фосфора, в конце обозначения марки ставят букву А. Например, сталь ЗОХГС - качественная, а ЗОХГСА – высококачественная.

Конструкционные цементируемые углеродистые и легированные стали. Для цементируемых изделий применяют, стали содержанием 0,1 - 0,25% С. Детали небольших размеров, работающие на износ при малых нагрузках, когда прочность сердцевины не влияет на эксплуатационные свойства, изготовляют из углеродистых сталей марок 10, 15, 20. Крупные и тяжело нагруженные детали, в которых необходимо иметь кроме высокой твердости по­верхности прочную сердцевину, изготовляют из легированных сталей марок 12X2Н4A, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА и др.

После цементации, закалки и низкого отпуска твердость поверхности НRC 60—G-1, а сердцевины HRC 30 - 40.

Конструкционные улучшаемые углеродистые и легированные стали. Улучшаемыми сталями называют, среднеуглеродистые стали (0,3 - 0,5% С), подвергаемые закалке и высокому отпуску (550 – 6500 С). Углеродистые стали марок 40, 45 применяют для изготовления деталей небольших сечений и испытывающих небольшие напряжения. Легированные стали марок 45Х, ЗОХГС, 40ХНМ и других благодаря их высокой прочности и достаточно хорошей прокаливаемости применяют для изготовления деталей крупного сечения или работающих при высоких нагрузках.

Для получения высокой поверхностной твердости деталей закаливают токами высокой частоты (коленчатые валы, зубчатые колеса и др.).

Рессорно-пружинные стали. Основным требованием, предъявляемым к этим сталям, являются высокий пре­дел упругости и выносливости. Указанным условиям удовлетворяют, углеродистые стали (например, марок 65; 85) и стали, легированные такими элементами, как Si, Mn, Cr, W, V (стали марок 60С2, 65Г, 50ХФА, 65С2ВА и др.). Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение после закалки отпуска при 400—450° С.

Шарикоподшипниковые стали. Основной сталью для изготовления колец, шариков и роликов является сталь ШХ15 (0,95 – 1,05 % С; 1,30 - 1,65% Cr). Термическая обработка подшипниковой стали--отжиг (НВ 187—207), закалка в масле от 830 - 860° С и отпуск при 150 - 200° С (HRC 62—65).

Инструментальные стали

Инструментальные стали, применяют для изготовления трех основных групп инструмента - режущего, измерительного и штампов.

Углеродистые и легированные стали для режущего инструмента

Углеродистые стали применяют марок У7 (У7А), У8 (У8А), ..., У13 (У13А). Эти цифры характеризуют среднее содержание углерода в десятых долях процента. В них содержится серы до 0,03% и фосфора до 0,05%. Если марки сталей имеют на конце букву А, например У8Л, то это означает, что сталь содержит – серы до 0,02% и фосфора до 0,03%.

Стали У7 л У8 применяют для инструмента ударно-режущего (например, зубила) и деревообрабатывающего (топоры, сверла, ножи, пилы и др.). Счаль У9 - для ножовочных полотен и деревообрабатывающего инстру­мента (сверла, фризы, ножи и др.). Стали У10 и У12— для различного - металлорежущего инструмента (сверла, метчики, развертки, фрезы и др.), напильников. Сталь У13 - для бритвенных ножей, напильников.

Углеродистую инструментальную сталь закаливают в воде, но инструмент прокаливается на небольшую глубину - диаметром до 10 -12мм. Отпуск проводят при разных температурах (160—240° С) в зависимости от инструмента и требуемой твердости (например, зубила НRС 56—58, метчики, развертки HRC 60—64). Теплостойкость, т. е. способность рабочей кромки инструмента сохранять в эксплуатации (при нагреве) структуру и свойства, необходимые для резания, у углеродистых сталей низкая - до 2000 С.

Легированные стали, например, марок Х (0,95 – 1,10 % С; 1,30 - 1,65% Cr); 9XC (0,85 - 0,95% С; 0,95 - 1,25% Cr; 1,20 -1,60% Si); ХВГ (0,90 - 1,05%С;0,90 - 1,20% Cr; 1,20 - 1,60% W; 0,80-1,10% Mn) по сравнению с углеродистыми сталями имеют следующие преимущества: большую прокаливаемость (например, сталь ХВГ прокаливается до 45мм) и, следовательно, возможность применения для инструмента большего сечения; возможно закалки в масле, в горячих средах, меньшая деформация инструмента; более в высокие режущие свойства; более высокую теплостойкость (например, для стали 9XC до 250° С). Из легированных сталей изготовляют сверла, фрезы, метчики, плашки, протяжки и т. п.

Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, в тяжелых условиях, Эти стали являются сложно легированными, обозначаются буквой Р (режущие), следующая за ней цифра указывает содержание главного легирующего элемента - вольфрама, а некоторые другие элементы не обозначаются. Например, сталь Р18 (0,7 - 0,8%С; 3,8 - 4,4% Cr: 17,5 -19% W; 1,0 - 1,4% V; 0,5 - 1,0%Mo);P6M5 (0,8 - 0,88% С; 3,8 - 4,4% Cr; 5,5 - 6,5% W; 1,7 – 2,1% V; 5,0 - 5,5% Mo).

Основное преимущество быстрорежущих сталей по сравнению с другими сталями – это высокая теплостойкость - до 600 - 620° С. Термическая обработка инструмента из быстрорежущей стали - закалка в масле от температуры 1270 - 1290°С (для стали Р18) и 1210 - 1230° С (для стали P6M5) и многократный (чаще трехкратный) отпуск при 550 - 570° С.

Инструментальные твердые сплавы обла­дают наибольшей теплостойкостью (до 800 – 10000 С) и твердостью (до HRA 90). Их получают прессованием и спеканием (при1400°С) порошков карбида вольфрама, карбида титана и кобальта (пластичная связка). Для обработки чугуна и цветных металлов применяют сплавы группы ВК, например сталь марки ВК2 (98% WC и 2% Со), а для обработки стали - сплавы группы ТК, например Т15К6 (79% WC, 15% TiC и 6% Со). Механи­ческой и термической обработке эти сплавы не подверга­ют, только шлифуют.

Стали для измерительного инструмента. Измерительный инструмент (калибры, плитки) изготовляют из сталей У10, X, ХВГ и др.; закаливают я для стабилизации структуры (сохранения размером инструмента в течение длительного времени) подвергают низкому отпуску при 120 - 140°С в течение 12 - 60 ч. Твердость после термической обработки НRC 62 - 65.

Штамповые стали, делят на стали для инструментов холодного и горячего деформирования.

Стали для инструмента холодного деформирования - это У10, У11, У12 - для штампов небольших размеров (диаметром до 25мм) простой формы, работающих в легких условиях; стали X, ХВГ - для штампов диаметром до 100мм более сложной формы и для более тяжелых условий работы; сталь Х12Ф1 --для штампов, работающих в условиях сильного износа и давления. Штампы подвергают термической обработке (закалке и отпуску) на твердость HRC 60 - 62.

Стали для инструмента горячего дефор­мирования. Штампы, деформирующие металл в го­рячем состоянии, работают в более сложных условиях, подвергаясь воздействию сложных напряжений, периодическому нагреву и охлаждению рабочей поверхности, истирающему действию горячего металла. Поэтому стали для таких штампов должны иметь высокие механические свойства, охраняющиеся и при повышенных температурах, быть стойкими против образования трещин «разгара», образующихся при циклических нагревах поверхности, глубоко прокаливаться (до 200 – 300мм). Такими сталями являются, стали марок 5ХНМ, 5XНB (для молотовых штампов), ЗХ2В8Ф, 4Х5В2ФС (для высадочных штампов, пресс-форм для литья под давлением).

Способы обработки стали

Термическая обработка стали

Изделия, получаемые из стали, подвергаются всем видам термической обработки. Отжиг стали. Отжиг применяется для устранения внутренних напряжений и внутрикристаллической лик­вации, снижения твердости, повышения пластичности, а вязкости и т. д. Основными видами отжига являются диффузионный, полный, неполный и рекристаллизационный. Температура нагрева изделий при проведении отжига различна Отжиг изделий состоит в медленном нагреве их в печи, выдержке при определенной температуре и медленном охлаждении вместе с печью.

Нормализация стали. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве доэвтектоидных сталей вы­ше точки Ас3, а заэвтектоидных сталей выше точки Асm на 50—60° С, выдержке их пря данной температуре с последующим охлаждением на воздухе. Применяют нормализацию для улучшения структуры, механических свойств и обрабатываемости сталей.

Закалка стали. Это термическая обработка, заключающаяся, в нагреве стали, выше критических точек превращения, выдержке их при этой температуре и быстром охлаждении.

В результате этого процесса твердость изделий резко повышается. При закалке температура нагрева зависит от содержания углерода в стали. Качество закаленных изделий зависит от температуры нагрева, времени выдержки изделий в печи и скорости охлаждения. Правильный выбор этих параметров обеспечивает получение изделии без закалочных дефектов. Охлаждение проводят с применением различных закалочных сред: воды, масла, расплавленные солей, растворов содей, кислот и щелочей, воздуха.

Поверхностную закалку применяют в том случае, когда необходимо повысить износостойкость, твердость поверхности изделий при сохранении менее твердой сердцевины. Применяют ее и в тех случаях, когда требуется повысить твердость поверхности и ее отдельных частях, например зубья шестерен, шейки коленчатого вала и т.д. Нагрев поверхности под закалку осуществляют токами высокой частоты и реже пламенем газовой горелки.

Отпуск. В зависимости от температуры нагрева закаленной стали, отпуск бывает низкий, средний и высокий. Низкий отпуск (до 2500C) проводят с целью получения мартенсита отпуска и снятия части внутренних напряжений при сохранении твердости. Этому виду отпуска подвергают большинство деталей, мерительный и режущий инструмент. Средний отпуск (350—5000 С) проводят с целью получения троостита отпуска. Такая структура обеспечивает высокий предел упругости и несколько повышает вязкость. Средний отпуск применяют при изготовлении пружин, рессор, кузнечных штампов, пресс-форм и т. д. Высокий отпуск (500—600° С) проводят для получения структуры сорбита отпуска, что обеспечивает лучшее соотношение между прочностными и пластическими свойствами, поэтому его используют для отпуска многих деталей,

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка — процесс тепловой обработки изделий в активных средах с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев. Ее проводят для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости изделии. К процессам химико-термической обработки относятся цемента­ция, азотирование цианирование (нитроцементация) и диффузионная металлизация.

Цементация. Это насыщение углеродом поверхности изделий из низкоуглеродистых сталей (до 0,25%), в ре­зультате чего изделия становятся двухслойными—поверхность науглероживается до 0,8—1% С, а сердцевина остается ненауглероженной.. Толщина слоя чаще всего 0,5 - 2мм. Цементацию проводят с использованием как твердого, так и газового карбюризатора.

Азотирование. Это - насыщение поверхностных слоев стали азотом. Оно основано на образовании в поверхностном слое твердого раствора азота в железе, нитридов (химических соединений) железа и легирующих элементов с азотом. Азотирование осуществляют для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости изделий.

Азотированию подвергают изделия из углеродистых, но чаще легированных сталей с низким содержанием Cr. Al, Мо, W, V.

Цианирование (нитроцементация). Это процесс совместного насыщения поверхности стали углеродом и азотом для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя. Цианирование проводят в жидких средах (цианирование) и газовых средах (нитроцементация), наиболее часто при 820—870°С.

Диффузионная металлизация. Это процесс насыщения стали алюминием, хромом, кремнием, бором и др. с целью упрочнения или придания особых физико-химических свойств поверхностному слою изделия.

Наиболее распространенными способами являются алитирование, хромирование, силицирование.

Алитирование - процесс насыщения поверхности изделий из стали алюминием. Для алитирования применяют порошкообразные алитирующие смеси (порошок алюминия или смесь состава: 45% ферроалюминия, 2 % хлорида аммония, 53% оксида алюминия).

Хромирование - процесс насыщения поверхности из­делии из cтaли хромом. После хромирования поверхностный слой изде­лий приобретает повышенную износостойкость, твердость (HV 1200—1300), окалиностойкость (до 800°С).

Хромированию подвергают различные детали: клапа­ны компрессоров, втулки насосов, матрицы для холодной высадки и др.

Силицирование - процесс насыщения поверхности из­делий из стали кремнием. Силицированные изделия устойчивы к растворам азотной, серной и соляной кислот.Они обладают повышенной твердостью (HV 200—300) и износостойкостью. Поэтому силицированию подвергают кислотопроводы, детали тракторов, автомобилей, насосов для перекачки кислот и арматуру, применяемую в химической, нефте­химической и других отраслях промышленности.

Практическая часть

Задание 1 Изучение свойств различных марок сталей с использованием марочника сталей и диаграммы состояния Fe3C.

1. Пользуясь марочником сталей определить химический состав, основные механические характеристики, область применения и особенности термообработки стали соответствующей вашему варианту. На основании полученных данных заполнить таблицу 1

2. Определить местоположение указанной в варианте марки стали на диаграмме Fe-Fe₃C, указанной ниже и описать ее фазовые превращения во всем диапазоне температур.

Таблица 6.1

Задание 2. Изучение процесса термообработки сталей, на примере закалки с использованием различных сред.

1. Произвести замеры твёрдости 9 предложенных руководителем образцов из различных марок стали в единицах твёрдости по Роквеллу. Результаты занести в таблицу 2.

2. Произвести термообработку образцов (по 3 шт.), нагрев их до температуры на 50-70 градусов выше т. А_С3 предварительно определив её по диаграмме Fe-Fe₃C для каждой, конкретной марки стали, с последующим охлаждением:

а) в масле;

б) в воде;

г) на воздухе.

3. Произвести замеры твёрдости термообработанных образцов. Результаты занести в таблицу.

Таблица 6.2

Изучение свойств термообработанных сталей

Контрольные вопросы

1. Какие существуют виды кристаллической решетки у металлов?

2. Какими физическими и химическими свойствами обладают металлы?

3. Что такое технологические характеристики стали? Какие они бывают?

4. Назовите основные виды механических испытаний? Что такое предел прочности при растяжении?

5. Что такое твёрдость металла? Как её измеряют?

6. Что такое сплав? Какие существуют виды соединения компонентов в сплавах?

7. Что такое сталь? Чугун?

8. Опишите основные области диаграммы Fe-Fe₃C.

9. Какое влияние оказывает на свойства стали углерод?

10. Каковы принципы маркировки сталей?

11. Произведите классификацию сталей по:

а) назначению

б) качеству

в) способу производства

г) степени раскисленности

12. Что такое термообработка стали? Опишите один из видов термообработки?

13. Для чего производят отпуск закаленной стали? Какие виды отпуска для этого существуют?

14. Назовите основные виды химико-термической обработки стали? Что такое цементация? Какова её цель?

Лабораторная работа №7