Металлы и сплавы, их обозначения

6.3.1 К черным металлам относится железо и сплавы на его основе: сталь(содержание углерода до 2,14 % в соответствии с диаграммой железо-углерод), чугун (содержание углерода от 2,14 % до 6,67 % в соответствии с диаграммой железо-углерод).

Сталь –сплав железа с углеродом (и другими элементами). Сталь различают по назначению (конструкционные стали, коррозионно стойкие (нержавеющие) стали, инструментальные стали, жаропрочные стали, криогенные стали), химическому составу и механическим свойствам (углеродистая, легированная), видам обработки (горячекатаную, кованую, калиброванную и т.д.). Более подробные сведения о сталях приведены в 6.4.

6.3.2 Чугун – сплав железа с углеродом (и другими элементами) с содержанием более 2,14 %. Углерод вчугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита иколичества цементита, выделяют; белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Иногда вчугуны вводят легирующие элементы (никель, хром, алюминий, молибден и т. д.), тем самымулучшая их свойства.

Чугун отличается высокими литейными свойствами, изделия из него изготавливают различными методами литья. Из-за низкой пластичности чугун не подвергается обработке давлением. Структура чугунов существенно зависит от их химического состава и скоростиохлаждения.

Широко применяют серый чугун. Это металл дешевый, недефицитный, с хорошей жидкотекучестью, малой усадкой. Он легко обрабатывается режущим инструментом, обладает хорошими антифрикционными и демпфирующими свойствами. Серые чугуны маркируют буквами С - серый и Ч - чугун, далее следует число, обозначающее предел прочности при растяжении. Например, СЧ 15, СЧ 24, СЧ 30, СЧ 45.

Ответственные детали, например, коленчатые валы, зубчатые колеса, корпуса автомобильных моторов, крупные прокатные валки, корпуса паровых турбин и др. изготавливают из высокопрочного чугуна, благодаря его хорошим механическим свойствам. Высокопрочные чугуны маркируют буквами В - высокопрочный иЧ- чугун, далее следует число, обозначающее предел прочности при растяжении. Например, ВЧ 35, ВЧ 60, ВЧ 100 .

Термин «ковкий чугун» является условным, поскольку изделия из него, также, как и из любого другого чугуна, изготовляют не ковкой, а литьем. Этот чугун после заполнения литейных форм быстро охлаждают и получают белый чугун со специальной структурой. Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией при производстве изделий из ковкого чугуна является отжиг.

Ковкий чугун маркируется буквами К– ковкий и Ч – чугун, далее следует число, обозначающее предел прочности при растяжении и число, обозначающее относительное удлинение. Например, КЧ 30-6, КЧ 65-3.

6.3.3 Ферросплавы — сплавы железа с другими элементами (хром, марганец, титан и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали (феррохром, ферросилиций). К ферросплавам условно относят также некоторые сплавы, содержащие железо лишь в виде примесей (силикокальций, силикомарганец и др.), и некоторые металлы и неметаллы с минимальным содержанием примесей.

6.3.4 Биметалл – двухслойный или многослойный материал, состоящий из двух различных металлов или сплавов, прочно соединенных по всей плоскости соприкосновения и представляющих собой монолитное целое.

Главным образом биметаллы используют как коррозионно-стойкие материалы. Имеются также антифрикционные, износостойкие, термобиметаллы, самозатачивающиеся, проводниковые и другие.

Коррозионностойкие биметаллы широко используют для деталей крупногабаритных конструкций, где вопрос о массе конструкции важен.

Подавляющее большинство выпускаемого коррозионностойкого биметалла приходится на биметаллы, которые в качестве основы имеют низкоуглеродистую или низколегированную сталь, а плакирующего слоя – коррозионностойкие стали, а также медные и никелевые сплавы, медь, никель, титан и некоторые другие.

6.3.5 Цветные (нежелезные) металлы и сплавы – все остальные, кроме черных. Внастоящее время используется более 65 цветных металлов и очень много цветных сплавов. Кним относятся медь, алюминий, титан, никель, олово, цинк и др.; алюминиевые, титановые,медные, никелевые и многие другие сплавы.

Стали

Классификация сталей

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств.

Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

По химическому составу, прежде всего, все стали можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа иуглерода один какой-либо легирующий элемент), четырехкомпонентные и т. д. Более распространенной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникель-молибденовые и т. д.

По степени легирования, т. е. по содержанию легирующих элементов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем от 2,5 % до 5,0 % легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).

Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали, при одинаковом содержании углерода, имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали от 0,15 % до 0,35 %, в полуспокойной от 0,05 % до 0,15 %, в кипящей менее 0,05 %. Легированные стали выплавляют только спокойными в мартеновских или электрических печах.

По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов.

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный (структуру во всех случаях определяют по образцам небольшого сечения, диаметром до 25 мм).

В основе классификации стали по качеству лежит содержание вредных примесей -серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высококачественную,

Углеродистые стали общего назначения содержат повышенное количество серы (до 0,05 %) и фосфора (до 0,04 %,).

По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержащие до 0,25 % углерода, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых цементации.

Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относят коррозионностойкие и кислотоупорные; жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы; с особыми магнитными свойствами и т. д.

Углеродистые стали

Углеродистые стали – это основной конструкционный материал, который используют в различных областях промышленности. Они проще в производстве и значительно дешевле легированных. Свойства их определяются количеством углерода и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеродом.

Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность, но прочность повышается только до содержания 1 % углерода, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться.

Кроме углерода, в стали есть еще другие элементы – примеси, присутствие которых обусловлено разными причинами. Различают постоянные, скрытые, случайные и специально введенные примеси.

Постоянные примеси – это кремний, марганец, фосфор и сера.

Присутствующие в стали газы – азот, кислород, водород – называют скрытыми примесями, ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды, оксиды).

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается в пределах от 10"² % до 10"⁴ %.

Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.

Для получения каких-либо заданных свойств в сталь специально вводят примеси (специальные примесями). Такие элементы называют легирующими, а стали, их содержащие - легированными сталями.

Легированные стали

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия идругих элементов более 0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали (марганец или кремний), но их количество должно превышать 1 %.

В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств – прочности, пластичности и т. д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства.

Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

Обозначение марок стали – буквенно-цифровое. Буквы Ст означают «сталь» цифры от 0 до 6 - условный номер марки, например,СтО, Ст2 и т.д. Степень раскисленности стали обозначают буквами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали марок от СтО до Ст4, полуспокойными и спокойными можно выплавлять все стали от Ст1 до Ст6.

Сталь подразделяют на три группы: А, Б и В, например, Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая); БСтЗкп (сталь 3, группы Б, кипящая); ВСтЗпс (сталь S, группы В, полуспокойная); ВСт4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и т. п.

Химический состав стали группы А не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Стали этой группы обычно заказчики используют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическим свойствам. С увеличением номера стали, ее прочность растет, а пластичность уменьшается.

Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают различной обработке (ковке, сварке, термической обработке) с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств.

Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б.

В качественных сталях максимальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04 % серы и 0,04 % фосфора. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворенных газов. В случае примерно одинакового содержания углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного качества, особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. Марки сталей обозначают цифрами, указывающимисреднее содержание углерода в сотых долях процента (пределы по углероду от 0,07 % до 0,08 % для одной марки), степень раскисленности - буквами пс, кп (спокойные, качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 10кп (0,10 % углерода, кипящая), сталь 30пс (0,30 % углерода, полуспокойная), сталь 45 (0,45 % С, спокойная) и т. д. Качественные углеродистые стали поставляются заказчику в различном состоянии: без термической обработки, после нормализации, различной степени пластической деформации и т. д.

В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (серы менее 0,035 % и фосфора менее 0,035 %). Поскольку при этом стоимость стали существенно возрастает, конструкционные углеродистые стали редко выплавляют высококачественными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, например, сталь У10А. Легированные стали выплавляют только качественными, а чаще - высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в Российской Федерации принята буквенно-цифровая система.

Легирующие элементы обозначают следующими буквами: хром –X, никель – Н, молибден – М, вольфрам – В, кобальт – К, титан – Т, азот – А*, марганец – Г, медь – Д, <* ванадий – Ф, кремний – С, фосфор – П, алюминий – Ю, бор – Р, ниобий – Б, цирконий – Ц.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % С; 1 % Cr;
1 % Mg и около 0,1 % Ti; сталь марки 12ХНЗ - 0,12 % С; 1 % Cr и 3 % Ni.

Нестандартные стали обозначают различным образом. Состав таких сталей приведен в справочниках.

Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют повышенные требования и по содержанию других примесей.

Цементуемые стали

Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей, содержащих от 0,10 % до 0,30 % углерода, подвергая их затем цементации.

Улучшаемые стали

Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (содержание углерода от 0,3 % до 0,5 %), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.

Высокопрочные стали

Высокопрочная сталь – сталь с пределом прочности не ниже 2000 МПа. Для достижения столь высокой конструктивной прочности сталь должна сочетать в себе высокую прочность и высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Классификация высокопрочных сталей:

- стали, удовлетворяющие заданному уровню свойств и являющиеся высокопрочными;

- среднеуглеродистые комплексно-легированные стали (30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, ЗОХ5МСФА);

- мартенситно-стареющие стали (Н18К9М5ТЮ, применяется в авиастроении);

- трип-стали.

Пружинно-рессорные стали

Основное требование к материалам, используемым для изготовления пружин, рессор, торсионных валиков и т. п., - сохранение в течение длительного времени упругих свойств, Пружинные стали должны иметь высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости при пониженной пластичности.

Шарикоподшипниковые стали

Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ролики) в процессе работы испытывают высокие удельные переменные нагрузки. Поэтому стали, используемые для их изготовления, должны иметь высокую прочность, износостойкость и высокий предел выносливости.

Износостойкие стали

Специальный вид сталей. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой. Графитизированные стали содержат повышенное количество углерода (до 1,75 %) и кремния до 1,6 %.

Строительные стали

Так как детали строительных конструкций соединяют сваркой, то основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому строительные стали содержат углерод до 0,25 %.

В качестве строительных сталей используют, главным образом, углеродистые стали обыкновенного качества марок СтЗ, Ст4.

Автоматные стали

Автоматная сталь – это сталь с повышенным содержанием серы и фосфора, предназначенная для изготовления деталей на металлорежущих скоростных станках-автоматах и полуавтоматах.

Инструментальные стали

Стали для режущих инструментов обладают высокой твердостью, износостойкостью. Для режущего инструмента используют стали 9ХС, 6ХВГ и др.

Углеродистые инструментальные стали содержат углерод от 0,65% до 1,35%. Они маркируются от У7, У7А до У13, У13А. Буква «У» означает, что сталь углеродистая, число показывает содержание углерода в десятых долях процента.

Легированные инструментальные стали обычно содержат углерод от 0,9 % до 1,4 %.

Низколегированные стали, содержащие от 1 % до 1,5 % легирующих элементов (Х5, 7ХФ, 8ХФ), относятся к сталям небольшой прокаливаемости.

Быстрорежущие стали содержат углерод от 0,7 % до 1,5 %, ванадий до 18 %, являющийся основным легирующим элементом, хром до 4,5 %, молибден до 5 %, кобальт до 10 %.

Для измерительных инструментов чаще всего используют высокоуглеродистые стали (У8-У12, X, Х9, ХГ, Х12Ф1), цементуемые (стали 15 и 20) и азотируемые (38ХМЮА).

Штамповые стали. Штамповые стали – стали, применяемые для изготовления инструментов, необходимых для обработки металлов давлением, таких как штампы, ролики, валики, пуансоны и т. д. Своё название получили по виду самого используемого инструмента.

Штамповые стали делятся на две категории:

деформирующие металл в холодном состоянии;

деформирующие металл в горячем состоянии.