Классификация сталей по применению

По применению различают следующие классы сталей:

• машиностроительные, которые, в свою очередь, подразделяются на строительные, конструкционные, предназначенные для изготовления машиностроительных изделий, а также стали с особыми свойствами: химическими (нержавеющие, криогенные, жаростойкие или жаропрочные стали и пр.) и физическими (с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения и т.д.);

• инструментальные, из которых изготавливают режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты.

Машиностроительные стали.

Строительные стали применяются для сварных конструкций, магистральных нефтегазопроводов, для армирования железобетонных конструкций и т.п. Для этих целей широко используются низкоуглеродистые качественные стали, и стали обыкновенного качества (ВСт3сп, ВСт3Гпс, ВСт5Гпс, 14Г2, 17ГС, 15ХСНД и др.)

Конструкционные стали предназначены для изготовления машиностроительных изделий и делятся на шесть групп: стали, используемые без упрочняющей термической обработки (С<0,2%); цементируемые низкоуглеродистые (до 0,25% С), улучшаемые среднеуглеродистые (0,30 – 0,50% С), рессорно-пружинные (0,6 – 0,8% С), автоматные низкоуглеродистые, шарикоподшипниковые (С ≥ 1%) стали.

Стали, используемые без упрочняющей термической обработки. Это стали, поставляемые в листах для последующей штамповки, глубокой вытяжки и т.п. По химическому составу это стали низкоуглеродистые с пониженным содержанием кремния (кп, пс) и низколегированные (08кп, 08пс, 15кп, 20Хкп и др.).

Цементируемые стали применяются для изделий, подвергаемых поверхностному насыщению углеродом. После цементации, закалки и низкого отпуска детали из этих сталей имеют твёрдую поверхность (HRC 58-62), хорошо работающую на износ, и вязкую прочную сердцевину (HRC 20-30). Для мелких неответственных изделий широко применяют стали марок 10, 15, 20, 15Х, 20Х. Для более ответственных и крупных изделий применяют легированные качественные и высококачественные стали, например, 18ХГТ, 12ХН3А, 20Х2Н4А, 20ХГР, 18Х2Н4ВА и т.п.

Улучшаемые машиностроительные стали применяют после закалки и высокого отпуска (улучшения). Для изделий небольшого сечения или работающих при невысоких нагрузках используют стали марок 35, 40, 45, 50. Для деталей более крупного сечения применяют низко- и среднелегированные стали, обладающие большой прокаливаемостью и обеспечивающие высокие механические свойства по всему сечению, например, 40Х, 30ХГТ, 50Г2, 40ХН, 40ХНМА, 30ХН2ВФ и др.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления упругих элементов. К этой группе относятся углеродистые (ГОСТ 1050-88) и легированные (ГОСТ 14959-79) стали, подвергаемые закалке и среднему отпуску, такие как 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 60СГА, 65Г, 70Г, служащие для изготовления плоских и спиральных пружин, рессор, упругих колец и т.п., а также стали 50ХФА, 50ХГФА (для пружин ответственного назначения, работающих при температурах до 300^оС), 60С2ХА, 60С2Н2А, 70С3А (для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор).

Автоматные стали (ГОСТ 1414-75) отличаются хорошей обрабатываемостью резанием благодаря повышенному содержанию серы и фосфора и применяются для изготовления на станках-автоматах деталей массового производства (гаек, винтов и др. крепежных и мелких деталей сложной формы, не испытывающих высокие напряжения). Стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (А12, А20, А30). Чтобы не появлялась красноломкость, в сталях увеличено количество марганца, если сталь легирована свинцом, то ее наименование начинается с букв АС. Для отражения содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей: А40Г, АС11, АС12НХ, АС20ХГНМ, АС40, А40ХЕ. Для улучшения прочностных свойств автоматные стали подвергают холодному пластическому деформированию.

Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 801-78) применяются для изготовления колец, шариков и роликов подшипников и обладают высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Такие стали содержат примерно 1% С и маркируются буквами «ШХ», после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента. Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву (т.е. особовысококачественных), буква Ш добавляется также и в конце их наименований через тире. Например: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.

Инструментальные стали.

Инструментальные стали имеют высокие твердость, прочность, износостойкость и предназначены для изготовления режущего, мерительного, холодноштамповочного и горячештамповочного инструмента. Это, как правило, высокоуглеродистые стали, содержащие свыше 0,70% С (исключение составляют стали для горячештамповочного инструмента, которые относятся к среднеуглеродистым сталям). К ним относятся качественные и высококачественные стали, углеродистые, легированные и быстрорежущие. Они имеют соответствующую маркировку.

Углеродистые инструментальные стали, согласно ГОСТ 1435-99, делят на качественные, обозначаемые буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У10), и высококачественные, обозначаемые дополнительной буквой А в конце наименования (например, У12А) или дополнительной буквой Г, указывающей на увеличенное содержание марганца (например, У8ГА).

Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-2000) обозначаются по тем же правилам, что и конструкционные легированные стали: процентное содержание углерода также указывается в начале маркировки, но не в сотых долях процента, а в десятых, например, 9ХС, 5ХВГ, 3Х8В2 и т.д. Если содержание углерода 1,0% и выше, то цифра чаще всего отсутствует: ХВГ, Х, Х6ВФ и др. Буквы означают легирующие элементы (см. выше), а следующие за ним цифры – содержание в целых процентах соответствующего легирующего элемента. Так, сталь 4Х2В5МФ содержит 0,3-0,4% C, 2,2-3,0% Cr, 4,5-5,5% W, 0,6-0,9% Mo, 0,6-0,9% V, а сталь ХВГ имеет в составе 0,9-1,05% C, 0,9-1,2% Cr, 1,2-1,6% W, 0,8-1,1% Mn.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73) маркируют буквой Р (Р18, Р6М5, Р9М4К8). Следующая за ней цифра указывает содержание основного легирующего элемента (вольфрама) в целых процентах. Не указываются в обозначении марки стали содержание углерода (оно находится в пределах 0,75-1,15% и пропорционально содержанию ванадия), а также хрома (в пределах 3,8-4,2%), и ванадия (если его меньше 2,5%). Следует заметить, что если содержание ванадия превышает 2,5%, то буква Ф и цифра указываются, например Р14Ф4, Р9Ф5. В соответствии с вышесказанным сталь Р6М5 имеет состав 0,82-0,9% С, 3,8-4,4% Cr, 4,8-5,3% Mo, 1,7-2,1% V, 5,5-6,5% W, а сталь состава 0,95-1,05% С, 3,8-4,3% Cr, 4,8-5,3% Mo, 2,3-2,7% V, 0,05-0,1% N, 5,7-6,7% W маркируется Р6АМ5Ф3.

Для режущего инструмента применяют углеродистые стали У8, У10, У8А, У12 (ГОСТ 1435-99), легированные 9ХС, ХВГ, Х (ГОСТ 5950-2000), а также быстрорежущие высоколегированные стали марок Р18, Р12, Р6М3, Р6М5, Р10К5 (ГОСТ 19265-73). Отличительная особенность инструментальных сталей для режущего инструмента – высокое содержание углерода (от 0,70 до 1,5%), что позволяет получать после закалки и отпуска высокую твёрдость HRC 60-65.

Для изготовления холодноштамповочного инструмента часто используют стали для режущего инструмента углеродистые и легированные (ГОСТ 5950-2000). Это объясняется тем, что условия работы вырубных штампов и режущего инструмента очень близки. Лучше стали для холодноштамповочного инструмента – Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ и т.п.

Стали для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность, вязкость) при повышенных температурах и обладать разгаростойкостью, т.е. выдерживать многократные нагревы и охлаждения (термоциклы) без образования трещин. Это, как правило, низко- и среднелегированные стали, содержащие углерод от 0,35 до 0,60%, такие как 5ХНМ, 5ХНМА, 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф и др.

Стали для измерительного инструмента должны обладать высокой твёрдостью, износостойкостью и сохранять постоянство размеров. Для этой цели обычно применяют высокоуглеродистые низколегированные стали марок Х, 9ХС, ХВГ и др. Кроме того, для плоского инструмента (линейки, скобы, шаблоны и др.) часто используют низкоуглеродистые конструкционные стали 15, 15Х, 20Х и др., подвергаемые поверхностному насыщению углеродом с последующей закалкой (см. приложение 1).

Стали и сплавы с особыми химическими и физическими свойствами.

Сплавы с особыми химическими и физическими свойствами получают эти свойства в результате специального легирования и термической обработки. К этой группе сплавы относятся как стали, так и сплавы на основе других металлов. В данной работе ограничимся рассмотрением сталей и сплавов на основе железа и никеля.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550ºС и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. К ним относятся стали с высоким содержанием хрома – чем больше его количество, тем выше жаростойкость сплава: для сталей 12Х18Н9, 12Х17 она составляет 850-900ºС; для сталей 15Х25Т, 10Х23Н18, 12Х25Н16Г7АР и др. – более 1000ºС, для хромоникелевых сплавов ХН32Т, ХН45Ю, ХН78Т – более 1300ºС.

Жаропрочные стали обладают повышенными механическими свойствами при высоких температурах. Ниже 300ºС наибольшую прочность имеют простые конструкционные стали, определенным образом обработанные; до 500ºС используются стали, легированные 1%Cr и 0,5%Mo: 12ХМ, 15 ХМ, 12Х1МФ, 12Х2МФБ; при температурах от 500ºС до 600ºС используют стали с повышенным содержанием хрома: 12Х12В2МФ, 12Х13, 15Х11МФ; при температурах выше 600ºС применяют стали с большим количеством хрома, никеля и добавками других элементов: 09Х14Н16Б, 08Х18Н10Т, 08Х23Н18, 4Х14Н14В2М и др. К высокожаропрочным сплавам, применяемым при температурах 700-900ºС, относятся никелевые сплавы ‑ нимоники. Это сплавы системы Ni-Cr-Ti-Al, содержащие от 70 до 77% Ni, от 12 до 22% Cr, от 1 до 5% Fe, по 1-2% Al и Ti: ХН77ТЮ, ХН70ВМТЮ. Часто наряду с этими сплавами применяют близкие к ним по природе железоникелевые сплавы (на основе Fe): ХН35ВТ, ХН35ВТЮ с 14-16% Cr, 0,06-0,12% С, 2,8-3,5% W, 1,5-2,5% Ti.

Коррозионностойкие стали (ГОСТ 5632-72)имеют в своем составе не менее 12%Cr, они обладают положительным потенциалом, не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей: 08Х13, 12Х13, 40Х13, 14Х17Н2, 15Х28, 10Х14Г14НТ, 12Х18Н10Т, литейные 16Х18Н12С4ТЮЛ, особовысококачественные 06Х16Н15М3Б-Ш и др.

Кислотостойкими (кислотоупорными) являются стали типа Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-Mo-Cu: 10Х17Н13М2Т, 09Х16Н15М3Б, 06Х23Н28М3Д3Т, а если необходимо иметь еще и высокие механические свойства, то к применению рекомендуется сплав типа Cr-Ni-Mo-Cu-Ti-Al. Также применяются сплавы на основе никеля типа хастеллой: Н70МФ, ХН65МВ с высоким содержанием молибдена (до 29%).

Криогенные стали необходимы в качестве металлических материалов для машин и оборудования, предназначенных для транспортировки и хранения сжиженных газов, и, следовательно, эксплуатируемых до температур кипения: кислорода (‑183ºС), азота (‑196ºС), неона (‑247ºС), водорода (‑253ºС), гелия (‑269ºС), а также сжиженных углеводородов (метила, бутана и др.), температуры кипения которых лежат в интервале ‑80÷‑180ºС. К криогенным сталям относятся 0Н6, 0Н9А; чаще криогенные стали являются одновременно и нержавеющими: 03Х19Г10Н7М2, 3Х20Н16АГ6, 10Х14Г14Н4Т, 12Х18Н10Т.

Электротехнические сплавы. К этой категории сплавов можно отнести следующие сверхпроводящие промышленные сплавы (ГОСТ 10994-74): 65БТ, содержащий 63-68% Nb, 22–26% Ti, 8,5-11,5% Zr, остальное Fe; проволоку сплава 35БТ состава 33,5-36,5% Nb, 60–64% Ti, 1,7-4,3% Zr, остальное Fe, используют в медной матрице, как композиционный материал. К реостатным сплавам (ГОСТ 492-2006) относятся МНМц-3-12 (манганин), МНМц-40-1,5 (константан), МНМц-43-0,5 (копель), содержащие никель, марганец и медь. К сплавам для нагревательных элементов следует отнести Х23Ю5 (хромаль), Х13Ю4 (фехраль), содержащие хром, алюминий и железо, а также Х20Н80 (нихром) – сплав хрома и никеля с добавлением 1,5% Fe.

Магнитомягкие материалы. Для получения больших индукций в слабых магнитных полях применяют сплавы Fe‑Ni (пермаллой), имеющие очень высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, большое электросопротивление. К таким сплавам относятся 45Н, 50Н, 50НХС, 79НМ, 76НХД, 80НХС, цифры в маркировке указывают содержание никеля в %, углерода менее 0,1%.

Магнитотвердые материалы. Это стали, используемые для постоянных неответственные магнитов массового производства, обладающих малой магнитной энергией из-за относительно невысокой коэрцитивной силы: ЕХ3, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Буква Е означает магнитотвердую сталь. Все стали содержат ~1% С, цифры после букв, обозначающих наличие химических элементов, показывают их содержание в %. Стали применяются после закалки.

Материалы с особыми тепловыми свойствами. К этой группе материалов относят сплавы Fe‑Ni, имеющие малый коэффициент теплового расширения – инварные (неизменные) сплавы, и содержащие 29-45% Ni: 36Н, 32НКД, 29НК, 33НК, 47НД (ГОСТ 10994-74). Некоторые сплавы Fe‑Ni обладают малым температурным коэффициентом модуля упругости (элинвары): 36НХ, 36НХТЮ, 42НХТЮ, 44НХТЮ.

Немагнитные стали. В машиностроении от материала иногда требуются немагнитность и механическая прочность одновременно. Такими свойствами обладают стали 55Г9Н9Х3 и 45Г17Ю3.

Материалы с особыми упругими свойствами необходимы для изготовления силовых пружин и рессор общего назначения. От этих материалов требуются высокий предел упругости (близкий к значению предела прочности) и высокий пределов выносливости. Этим требованиям удовлетворяют среднеуглеродистые простые и легированные стали после термической обработки (закалки и среднего отпуска). Также находят применение железоникелевые сплавы (ГОСТ 10994-74), например, 36НХТЮ, содержащий 43,61–48,8% Fe, 35-37% Ni, до 0,05% С, 36НХТЮМ8.