. Маркировка и классификация легированных сталей
В основу классификации легированных сталей заложены четыре принципа: равновесная структура, структура после охлаждения на воздухе, состав и назначение сталей.
По равновесной структуре стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.
Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру; доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат феррит или вторичные карбиды типа Ме3С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами с аустенитом.
В соответствии с диаграммой «Fe – Fe3C» доэвтектоидные стали содержат менее 0,8 % углерода, эвтектоидные – около 0,8 %; заэвтектоидные – 0,8–2,0 % и ледебуритные – примерно до 2,14 %.
Большинство легирующих элементов сдвигает точки S и E (на диаграмме «Fe – Fe3C») в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными лежит в легированных сталях при меньшем содержании углерода, чем в углеродных.
При охлаждении на спокойном воздухе образцов небольшой толщины можно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный.
Получение трех классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это отражено на диаграммах изотермического распада аустенита (рис. 5.4).
Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов и для них кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада и будут получаться структуры – перлит, сорбит, троостит.
У сталей мартенситного класса, характеризующихся большим содержанием легирующих элементов, область перлитного распада значительно сдвинута вправо – аустенит переохлаждается без распада до температур мартенситного превращения, образуется мартенсит.
Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает область перлитного распада, но и переводит начало мартенситного превращения в область отрицательных температур, поэтому такая сталь, охлажденная на воздухе при комнатной температуре, сохранит аустенитное состояние.
В зависимости от вводимых элементов (по химическому составу) стали разделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. п.
Кроме того, стали подразделяются по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов), легированные (от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).
Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Качество стали – это комплекс обеспечиваемых металлургическим процессом свойств, таких как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислорода, азота, водорода) и вредных примесей (серы и фосфора).
По качеству легированные стали подразделяются на качественные (до 0,04 % S и до 0,035 % P), высококачественные (до 0,025 % S и до 0,025 % Р) и особовысококачественные (до 0,015 % S и до 0,025 % Р).
В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы:
конструкционные, применяемые для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающие определенными механическими, физическими и химическими свойствами;
инструментальные, применяемые для обработки материалов резанием или давлением и обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.
Конструкционные стали подразделяются:
на строительные;
машиностроительные;
стали с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионно-стойкие.
Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих их химический состав.
Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К –кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий.
Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах (при содержании 1–1,5 % и менее цифра отсутствует). Например, сталь 12Х2НВФА в среднем содержит 0,12 % С; 2 % Cr, 1 % Ni, 1 % W, 1 % V. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная (ограничено содержание вредных примесей: S < 0,03 %; P < 0,03 %). Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш, например 30ХГС–Ш.
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш (ШХ15), автоматных – с буквы А (А30); буква Л (110Г13Л) в конце марки обозначает, что детали из данного сплава получают литьем.
В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, показывающая содержание основного легирующего элемента вольфрама в процентах (Р18 – 18 % W, Р6М5 – 6 %W, 5 % Mo).
Строительные стали.
К строительным относятся низкоуглеродистые и низколегированные стали, содержащие до 0,25 % углерода, недорогие и недефицитные легирующие элементы и обладающие повышенной прочностью и пониженной склонностью к хрупким разрушениям по сравнению с углеродистыми сталями. Они применяются для изготовления металлических конструкций и сооружений, для армирования железобетона.
Примеры строительных сталей: 10, 15, 14Г2, 17ГС, 9Г2С, 14Г2АФ, 17Г2АФБ, 10ХНДП, 15ХСНД, 12Х2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ.
Цементуемые (нитроцементуемые) стали.
Для изготовления деталей, находящихся под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа, применяют стали с содержанием углерода 0,08–0,25 %, подвергая их цементации, закалке и низкому отпуску. Твёрдость поверхности готовой детали должна составлять около 58–62 HRC, твёрдость сердцевины в пределах 20–40 HRC. Сердцевина цементуемых сталей должна иметь высокие механические свойства, особенно предел текучести.
В зависимости от степени упрочняемости сердцевины различают три группы цементуемых сталей: с неупрочняемой (например, стали марок 10, 15, 20), со слабо- (15Х, 20ХГ) и сильноупрочняемой сердцевиной (25ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4МА, 20ХГНР и др.)
Улучшаемые стали.
Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей машин применяют легированные стали, подвергаемые улучшению, т. е. закалке с высоким отпуском. Эти стали содержат 0,3–0,5 % С, 1–6 % легирующих элементов. Примеры улучшаемых сталей: 40ХН, 45ХН, 30ХН3А, 36Х2Н2МФА, 38ХН3МА и др.
Износостойкие стали.
К износостойким сталям относится сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда), имеющая следующий химический состав: 1,25 % углерода, 13 % марганца, 1% хрома, 1% никеля. Сталь Гадфильда при низкой начальной твёрдости (1800–2200 НВ) успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших динамических (ударных) нагрузок. Высокая износостойкость стали достигается не только деформированным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной решеткой.
Рессорно-пружинные стали.
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Основными требованиями, предъявляемыми к данным сталям, являются высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокий предел упругости) с сохранением упругих свойств в течение длительного времени, а также необходимой пластичности и сопротивление хрупкому разрушению.
Для работы в агрессивных средах пружины изготавливают из хромистых коррозионно-стойких сталей типа 40Х13, 95Х18 и др.
Подшипниковые стали.
Стали для подшипников должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью в сочетании с высоким пределом контактной усталости, т. к. работы детали подшипников (шарики, ролики, обоймы) испытывают высокие удельные знакопеременные нагрузки. Подшипниковые стали маркируют буквами Ш и Х, что означает шарикоподшипниковая и хромистая. Цифра после буквы показывает содержание хрома в десятых долях процента. Подшипники общего назначения изготавливают из сталей ШХ15, ШХ15СГ
Автоматные стали.
Обработка резанием – основной способ изготовления большинства деталей машин и приборов. Обрабатываемость стали зависит от ее механических свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического состава.
Примеры автоматных сталей: А12 (0,12 % С, до 0,2 % S), А40Г (0,40 % С, до 0,3 % S, до 1,55 % Mn), АС40 (0,40 % С, ≤ 0,04 % S, до 0,30 % Pb), АС12ХН (0,12 % С, ≤ 0,035 % S, до 0,30 % Pb, 0,7 % Сr, 0,8 % Ni) и др.