7.2. Призначення легуючих елементів та їх розподіл у сталях

Основним легуючим елементом є хром 0,8–1,2 %. Він підвищує прожарювання, сприяє отриманню високої і рівномірної твердості сталі.

Додаткові легуючі елементи

Бор – 0,003 %. Збільшує прожарюваність, а також підвищує поріг холоднокрихкості (+ 20–60 ^oС.)

Марганець збільшує прожарюваність, проте сприяє зростанню зерна, і підвищує поріг холоднокрихкості до + 40–60 ^oС.

Титан (~0,1 %) вводять для подрібнення зерна в хромомарганцевій сталі.

Введення молібдену (0,15–0,46 %) у хромистих сталях збільшує прожарюваність, зменшує поріг холоднокрихкості до -20…-120 ^oС. Молібден збільшує статичну, динамічну і втомну міцність сталі, усуває схильність до внутрішнього окислення. Крім того, молібден знижує схильність до відпускної крихкості сталей, що містять нікель.

Ванадій у кількості 0,1–0,3 % у хромистих сталях подрібнює зерно і підвищує міцність і в'язкість.

Введення в хромисті сталі нікелю значно підвищує міцність і прожарюваність, знижує поріг холоднокрихкості, але одночасно підвищує схильність до відпускної крихкості (цей недолік компенсується введенням у сталь молібдену). Хромонікелеві сталі мають найкращий комплекс властивостей. Проте нікель є дефіцитним, тому застосування таких сталей обмежене.

Значну кількість нікелю можна замінити міддю, це не призводить до зниження в'язкості.

Легуючи хромомарганцеві сталі кремнієм, отримують сталі хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Сталі мають гарне поєднання міцності і в'язкості, добре зварюються, штампуються і обробляються різанням. Кремній підвищує ударну в'язкість і температурний запас в'язкості.

Додавання свинцю, кальцію покращує оброблюваність різанням. Застосування зміцнення термічної обробки покращує комплекс механічних властивостей.

Розподіл легуючих елементів у сталі

Легуючі елементи розчиняються в основних фазах залізовуглецевих сплавів (ферит, аустеніт, цементит) або утворюють спеціальні карбіди.

Розчинення легуючих елементів відбувається в результаті заміщення атомів заліза атомами цих елементів. Ці атоми створюють у ґратах напругу, яка викликає зміну її періоду.

Зміну розмірів ґрат викликає зміна властивостей фериту – міцність підвищується, пластичність зменшується. Хром, молібден і вольфрам зміцнюють менше, ніж нікель, кремній і марганець. Молібден і вольфрам, а також кремній і марганець у певних кількостях знижують в'язкість.

У сталях карбіди утворюються металами, розташованими в таблиці Д. І. Менделєєва лівіше за залізо (хром, ванадій, титан), які мають менш добудовану d-електронну смугу.

За співвідношення атомних радіусів вуглецю і металу більше 0,59 утворюються типові хімічні сполуки – Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C, – які мають складну кристалічну решітку і за нагрівання розчиняються в аустеніті.

За співвідношення атомних радіусів вуглецю і металу менше 0,59 утворюються фази впровадження – Mo₂C, WC, VC, T_IC, T_аC, W₂C, – які мають просту кристалічну решітку і важко розчиняються в аустеніті.

Усі карбіди мають високу твердість і температуру плавлення.

7.3. Класифікація і маркування сталей

Сталі класифікуються за наступними ознаками:

1. За хімічним складом: вуглецеві і леговані.

2. За вмістом вуглецю:

• низковуглецеві, із вмістом вуглецю до 0,25 %;

• середньовуглецеві, із вмістом вуглецю 0,3–0,6 %;

• високовуглецеві, із вмістом вуглецю вище 0,6 %.

3. За рівноважною структурою: доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні.

4. За якістю. Кількісним показником якості є вміст шкідливих домішок – сірки і фосфору:

0,04  S  0,06 % – вуглецеві сталі звичайної якості:

P, S = 0,03–0,04 % – якісні стали;

P, S  0,03 – високоякісні стали.

5. За способом виплавки:

• у мартенівських печах;

• у кисневих конверторах;

• у електричних печах: електродугових, індукційних та ін.

6. За призначенням:

• конструкційні – застосовуються для виготовлення деталей машин і механізмів;

• інструментальні – застосовуються для виготовлення різних інструментів;

• спеціальні – сталі з особливими властивостями: електротехнічні, з особливими магнітними властивостями та ін.

Маркування сталей

Прийнято літерно-цифрове позначення сталей.

Вуглецеві сталі звичайної якості (ГОСТ 380) містять підвищену кількість сірки і фосфору.

Маркуються Ст2кп, Бст3кп, Вст3пс, Вст4сп.

Ст – індекс даної групи сталі. Цифри від 0 до 6 – це умовний номер марки сталі. Зі збільшенням номера марки зростає міцність і знижується пластичність сталі. По гарантіях при постачанні існує три групи сталей: А, Б і В. Для сталей групи А при постачанні гарантуються механічні властивості, в позначенні індекс групи А не вказується. Для сталей групи Б гарантується хімічний склад. Для сталей групи В при постачанні гарантуються і механічні властивості, і хімічний склад.

Індекси кп, пс, сп вказують ступінь розкислення сталі: кп – кипляча, пс – напівспокійна, сп – спокійна.

Якісні вуглецеві сталі. Якісні сталі поставляють із гарантованими механічними властивостями і хімічним складом (група В). Ступінь розкислення, в основному, спокійний.

Конструкційні якісні вуглецеві сталі. Маркуються двозначним числом, вказуючи середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Вказується ступінь розкислення, якщо вона відрізняється від спокійної.

Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.

Вміст вуглецю становить, відповідно, 0,08 %, 0,10 %, 0,45 %.

Інструментальні якісні вуглецеві сталі маркуються буквою У (вуглецева інструментальна сталь) і числом, що вказує вміст вуглецю в десятих долях відсотка.

Сталь У8, сталь У13.

Зміст вуглецю становить, відповідно, 0,8 % і 1,3 %

Інструментальні високоякісні вуглецеві стали. Маркуються аналогічно якісним інструментальним вуглецевим сталям, тільки в кінці марки ставлять букву А для позначення високої якості сталі.

Сталь У10А.

Якісні і високоякісні леговані сталі. Позначення літерно-цифрове. Легуючі елементи мають умовні позначення. Позначаються літерами російського алфавіту.

Позначення легуючих елементів:

Х – хром, Н – нікель, М – молібден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот (вказується в середині марки), Г – марганець, Д – мідь, Ф – ванадій, С – кремній, П – фосфор, Р – бор, Би – ніобій, Ц – цирконій, Ю – алюміній.

Леговані конструкційні сталі. Сталь 15Х25Н19ВС2. На початку марки вказується двозначне число, що показує вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Далі перераховуються легуючі елементи. Число, наступне за умовним позначення елементу, показує його вміст у відсотках. Якщо число не стоїть, то вміст елементу не перевищує 1,5 %. У вказаній марці сталі міститься 0,15 % вуглецю, 25 % хрому, 19 % нікелю, до 1,5 % вольфраму, до 2 % кремнію. Для позначення високоякісних легованих сталей у кінці марки вказується символ А.

Леговані інструментальні сталі. На початку марки вказується однозначне число, що показує вміст вуглецю в десятих долях відсотка. За вмісту вуглецю понад 1 % число не вказується.

Сталь 9ХС, сталь ХВГ. Далі перераховуються легуючі елементи з відповідним їх вмістом.

Швидкорізальні інструментальні сталі. Сталь Р18. Р – індекс даної групи сталей (від «rapid» – швидкість). Вміст вуглецю становить понад 1 %. Число показує вміст основного легуючого елементу – вольфраму. У вказаній сталі вміст вольфраму – 18 %. Якщо сталі містять легуючі елементи, то їх вміст вказується після позначення відповідного елементу.

P6M5 – 6 % W, 5 % Mo.

Шарикопідшипникові сталі. Сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС. Ш – індекс даної групи сталей. Х – вказує на наявність у сталі хрому. Наступне число показує вміст хрому в десятих долях відсотка: у вказаних сталях, відповідно, 0,6 % і 1,5 %. Також вказуються легуючі елементи. Вміст вуглецю становить понад 1 %.