Глава 4

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ.

Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу, способу производства, качеству, структуре, применению.

По химическому составу различают стали углеро­дистые и легированные. В зависимости от наличия в легированных сталях тех или иных легирующих элементов стали называют хромистыми, кремнистыми, хромоникелевыми, хромомарганцеванадиевыми и т. п. В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делят на низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (более 10%).

По способу производства различают стали кон­верторные, мартеновские, электросталь и сталь особых методов выплавки.

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. При этом учитывается главным образом способ выплавки и содержание в сталях вредных примесей — серы и фосфора.

Стали обыкновенного качества — углеродистые стали с содержанием до 0,5% С, выплавляют в конверторах (с применением кислорода) и в мартеновских печах; содержание фосфора до 0,07% и серы до 0,06%.

Стали качественные — углеродистые и легированные стали; выплавляются преимущественно в основных мартеновских печах; содержание серы и фосфора до 0,035—0,040% каждого.

Стали высококачественные — главным образом легированные стали, выплавляются преимущественно в электропечах, а также в кислых мартеновских печах; содержание серы и фосфора до 0,025% каждого.

Стали особо высококачественные — легированные стали; выплавляются в электропечах, электрошлаковым переплавом и другими современными методами; содержание серы и фосфора до 0,015% каждого.

По структуре подразделяют стали в отожженном и в нормализованном состояниях.

Стали в отожженном состоянии делят на классы: доэвтектоидный, эвтектоидный и заэвтектоидный, обычно объединяемые в один класс — перлитный (для углеродистых и легированных сталей), ледебуритный или карбидный, ферритный, полуферритный, аустенитный и полуаустенитный.

Стали в нормализованном состоянии по структуре делят на перлитный, мартенситный и аустенитный классы. Образование стали этих классов характеризуется диа­граммой изотермического превращения с нанесением на нее кривой нормализации (охлаждения на воздухе).

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующего элемента, кривая норма­лизации которых пересекает кривую изотермического превращения в зоне образования феррито-цементитной смеси с образованием пер­лита, сорбита или троостита.

К мартенситному классу относят легированные стали с более высоким содержанием легирующего элемента, кривая изотермиче­ского превращения которых располагается правее (большая устойчивость аустенита).

К аустенитному классу относят легированные стали с высоким содержанием легирующего элемента, в которых не только кривая изотермического превращения сдвинута вправо, но также понижена точка начала мартенситного превращения М_а; она расположена ниже комнатной температуры. В этом случае кривая нормализации не пересекает С-образную кривую.

По применению стали подразделяют на следующие груп­пы и подгруппы:

Конструкционные стали: строительные; машиностроительные общего назначения (стали, используемые без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слое и упрочняемые по всему сече­нию); машиностроительные специализированного назначения (стали пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, жаропрочные и др.).

Инструментальные стали.

Стали с особыми свойствами: с особыми химическими свойст­вами (нержавеющие стали); с особыми физическими свойствами (магнитные, с малым и заданным коэффициентом расширения и др.).

Маркировка сталей.

Обозначение сталей обыкновенного качества — буквенно-циф­ровое, например Ст0, Ст1 — Ст6, БСт0, БСт1 — БСт6, ВСт2 — ВСт5. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 — условный но­мер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Буквы Б и В перед обозначением марки означают группу стали; группа А в обозначении марки стали не указывается. Для обозначения степени раскисления к обозначению марки стали после номера марки добавляют индексы: кп — кипящая, пс — полуспо­койная, сп — спокойная, например, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, БСтЗкп, ВСтЗсп.

Углеродистые качественные конструкционные стали обозначают двузначными цифрами, показывающими среднее содержание угле­рода в стали, выраженное в сотых долях процента. Например, сталь с содержанием 0,12—0,19% С обозначают как сталь 15, сталь с 0,27— 0,35% С — как сталь 30, сталь с 0,42—0,50% С— как сталь 45 и т. д. Кипящая сталь в конце марки имеет индекс кп, например сталь с 0,05—0,11 % С обозначают как сталь 08 кп.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, за ней цифру, обозначающую среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь с содержанием 0,75—0,84% С обозначают как сталь У8, сталь с содержанием 0,95—1,04% С как сталь У10 и т.д.

В основу обозначения марок легированных сталей положена буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначают рус­скими буквами (табл. 3). Цифры с левой стороны букв означают среднее содержание углерода: если две цифры — в сотых долях процента, если одна — десятых долях процента. Для некоторых инструментальных сталей цифра, означающая содержание углерода, отсутствует. Это означает, что содержание углерода в стали состав­ляет —1 %. Цифры после букв показывают примерное содержание легирующих элементов, выраженных в целых процентах. Если со­держание легирующего элемента 1—1,5% и менее, то цифра после буквы не ставится. Например, сталь состава 0,57—0,65% С и 1,5—2,0% Si обозначают 60С2; сталь состава 0,36—0,44% С и 0,8—1,1% Сг—40Х; сталь состава 0,60—0,75% С и 3,2—3,8% Сг — 7X3; сталь состава 0,95—1,10% С и 1,30—1,65% Сг—X.

Для высококачественных сталей в конце обозначения марки ставят букву А, например сталь ЗОХГС—качественная, а сталь ЗОХГСА — высококачественная; сталь У8 — качественная, У8А — высококачественная.

Все стали инструментальные легированные и с особыми свойст­вами всегда высококачественные и поэтому в обозначениях марок этих сталей буква А не ставится.

В маркировке сталей в начале иногда ставят буквы, указы­вающие их применение: А — автоматные стали, например А20 (0,15—0,25% С); Р — быстрорежущие стали, например, Р18 (17,5— 19,0% W); Ш—шарикоподшипниковые стали, например, ШХ15 (1,30—1,65% Сг); Э—электротехнические стали, например, Э11 (0,8—1,8% Si).

Нестандартные стали часто маркируют условно. Например, ста­ли, выплавленные на заводе «Электросталь», обозначают буквой Э, рядом ставят букву И — исследовательская или П — пробная. После буквы ставят порядковый номер, например, ЭИ69, ЭИ868, ЭП48, ЭП590. Стали, выплавленные на Златоустовском металлурги­ческом заводе, обозначают ЗИ, на заводе «Днепроспецсталь»— ДИ и т. д.

Таблица 3 Обозначение элементов в легированных сталях

Название	Химический символ	Маркировочное обозначение	Название	Химический символ	Маркировочное обозначение
Марганец	Mg	Г	Кобальт	Co	К
Кремний	Si	С	Алюминий	Al	Ю
Хром	Cr	Х	Медь	Cu	Д
Никель	Ni	Н	Бор	B	Р
Вольфрам	W	В	Ниобий	Nb	Б
Ванадий	V	Ф	Цирконий	Zr	Ц
Титан	Ti	Т	Фосфор	P	П
Молибден	Mo	М

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

К конструкционным сталям, из которых изготавливают самые раз­нообразные конструкции, детали машин для различных отраслей про­мышленности, предъявляют требования высоких механических свойств, технологичности в обработке (хорошая обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость) и дешевизны. Конструкцион­ная сталь, в зависимости от условий работы деталей, должна иметь высокие прочность и пластичность (как при комнатной, так и при повышенных и низких температурах), упругость, хорошо сопротив­ляться ударной нагрузке, изнашиванию, усталости, хрупкому раз­рушению.

Современные детали машин и конструкции работают в тяжелых условиях эксплуатации, создаваемых ростом динамических и цикли­ческих воздействий, сложным напряженным состоянием, широким диапазоном температур рабочих сред; они отличаются разнообра­зием форм и размеров. В связи с этим конструкционные стали долж­ны обладать определенным комплексом механических свойств, ко­торые в наибольшей степени определяют работоспособность, т. е. стойкость и надежность деталей и конструкций, которые называют конструктивной прочностью. Повышения конструктивной проч­ности можно достигнуть только в совокупности металлургических, технологических и конструкторских мероприятий.

Конструкционные строительные стали. Для сварных и клепаных конструкций в строительстве, мосто­строении, судостроении применяют углеродистые стали обыкновен­ного качества (при незначительных напряжениях в конструкциях) и низколегированные стали с невысоким содержанием углерода (при более высоких напряжениях). К ним предъявляют требования достаточно высоких прочности и ударной вязкости, как при обыч­ной, так и при пониженной температурах, хорошей свариваемости. Эти стали поставляют в виде горячекатаного сортового, фасонного и листового проката.

Углеродистые стали обыкновенного качества. В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик качества металла сталь делят на три группы: А — поставляемую по механическим свойствам, Б — поставляемую по химическому составу и В — по­ставляемую по механическим свойствам и химическому составу.

Сталь группы А .Для этих сталей этой группы гарантируются механические свойства стали в состоянии поставки.. Химический состав для этой группы стали не регламентируется. Это связано с тем, что детали, изготовленные из стали группы А, термической обработке не подвергают. Поэтому важно знать не хи­мический состав, а механические свойства стали, которые сохраня­ются в изготовленных из нее деталях.

Сталь группы Б. Для этой группы сталей гарантируемой характеристикой качества является химический состав. Так как известен химический состав, детали из стали группы Б можно подвергать термической обработке.

Сталь группы В. Механические свойства стали этой группы должны соответствовать нормам для стали аналогичных марок группы А (см. табл. 4), а химический, состав — нормам для стали аналогичных марок группы Б (см. табл. 5). Например, меха­нические свойства стали ВСтЗсп такие же, как у стали СтЗсп, а хи­мический состав, как у стали БСтЗсп.

Низколегированные конструкционные стали.

Низколегированные стали хорошо свариваются и обладают, по сравнению с углеродистыми, повышенной прочностью. Преи­муществом этих сталей является также более низкий порог хлад­ноломкости . Даже при такой низкой температуре, как — 40 °С, ударная вязкость их достаточно высокая — он = 0,3—0,5 МДж/ма (3—5 кгс-м/см2). Такую ударную вязкость углеродистая сталь обык­новенного качества группы В имеет при температуре —20 °С.

Сталь 14Г2 применяют, например, для кожухов доменных печей и пылеуловителей, сталь 10ХСНД— в мостостроении, стали 18Г2О и 35ГС — для арматуры разного профиля и сечения.

Рассмотрим теперь конструкционные машиностроительные стали общего назначения.

Цементуемые углеродистые стали. Эти стали (15, 20) приме­няют для изготовления деталей небольших размеров, работающих на износ при малых нагрузках, когда прочность сердцевины не влияет на эксплуатационные свойства (втулки, валики, оси, шпильки и др.). После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверх­ность стали имеет высокую твердость HRC 58 — 62 (структура мар­тенсит), а сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняется структура феррит + перлит.

Цементуемые легированные стали. Эти стали целесообразно применять для тяжело нагруженных деталей и в том числе для дета­лей, в которых необходимо иметь высокую твердость и вязкость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевину. В легиро­ванных цементуемых сталях, несмотря на небольшое содержание углерода, благодаря значительному количеству легирующих приме­сей, гораздо легче получить при термической обработке более высо­кую прочность и вязкость сердцевины из-за образования в ней струк­тур бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Поэтому из них изготовляют ответственные детали.

Стали хромистые (20X), хромованадиевые (15ХФ), хромоникелевые (12ХН2). Их применяют для изготовления деталей неболь­ших и средних размеров, работающих на износ при повышенных на­грузках (втулки, валики, оси, некоторые зубчатые колеса, кулач­ковые муфты, поршневые пальцы и др.).

Стали хромоникелевые (12ХНЗА, 20Х2Н4А), хромомарганцетитановые (18ХГТ, 25ХГТ), хромоникельмолибденовые (18Х2Н4МА). Их применяют для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при высоких нагрузках (зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.).

Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются, но их применяют ограниченно из-за дефицитности никеля. Поэтому во всех случаях, когда нет крайней необходимо­сти, хромоникелевые стали заменяют сталями без никеля.

Цементуемые хромомарганцетитановые стали (18ХГТ, 25ХГТ) являются заменителями хромоникелевых сталей. Преимуществом сталей 18ХГТ и 25ХГТ является их наследственная мелкозерни­стость (размер зерна № 6—8). Это технологическое свойство позво­ляет значительно сократить общий технологический цикл обработки и закаливать детали из этих сталей непосредственно из цементацион­ной (газовой) печи с предварительным подстуживанием.

Борсодержащие стали (20ХГНР). В конструкционные стали бор вводят в количестве от 0,001 до 0,005% (так называемое микроле­гирование). Бор повышает плотность слитка, устраняет дендритную структуру. Стали с бором легче обрабатываются при горячей пла­стической деформации, хорошо обрабатываются резанием.

Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали. Эти стали называют улучшаемыми потому, что их часто подвер­гают улучшению — термической обработке, заключающейся в за­калке и отпуске при высоких температурах. Улучшаемые стали должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости, должны хорошо прокаливаться. Химический состав некоторых улуч­шаемых сталей приведен в табл. 8.

Углеродистые стали (35, 45). Эти стали дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35),: детали, требующие повышенной прочности (сталь 45).

Наиболее распространенной среднеуглеродистой сталью является сталь 45. Из нее изготовляют коленчатые и распределительные валы, поршневые и рессорные пальцы, передние оси, шатуны, вилки, втулки, болты, гайки и другие детали.

Хромистые стали (40Х, 45Х). Благодаря высокой прочности и достаточно хорошей прокаливаемости эти стали применяют для изготовления коленчатых валов, зубчатых колес, осей, валиков, рычагов, втулок, болтов, гаек. Детали из этих сталей закаливают масле с температуры 820—850° С. В зависимости от предъявляе-1ых требований отпуск деталей проводят при различных температурах.

Рассмотрим теперь конструкционные машиностроительные стали специализированного назначения.

Пружинно-рессорные стали.

Это стали 70, 65Г, 60С2, 50ХГ, 50ХФА, 65С2ВА, 60С2А, 70С2ХА. Пружинно-рессорные стали должны иметь особые свойства в свя­зи с условиями работы пружин (цилиндрических, плоских) и рес­сор. Пружины и рессоры служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции в процессе работы, и поэтому основ­ным требованием, предъявляемым к пружинно-рессорным сталям, являются высокий предел упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют углеродистые стали и стали, легированные такими элементами, которые повышают предел упругости. Такими элемен­тами являются Si, Mn, Cr, V, W.

Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение после закалки отпуска при темпера­туре 400—500° С (в зависимости от стали). Это необходимо для полу­чения наиболее высокого предела упругости, величина которого при более низкой или более высокой температуре отпуска получа­ется недостаточной.

Отпуск при температуре 400—500° С дает отношение предела упругости к пределу прочности приблизительно равное 0,8.

Шарикоподшипниковые стали. Основной шарикоподшипниковой сталью является сталь 11X15 (0,95—1,05% С; 1,30—1,65% Cr). Заэвтектоидное содержание в ней углерода и хром обеспечивают получение после закалки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания, необходимой прокаливаемости и достаточной вязкости.

На качество стали и срок службы подшипника вредно влияют карбидные ликвация, полосчатость и сетка. На физическую однородность стали вредно влияют неметаллические (сульфидные и оксидные) и газовые включения, макро- и микропористость.

Термическая обработка подшипниковой стали включает опера­ции отжига, закалки и отпуска. Цель отжига — снизить твердость и получить структуру мелкозернистого перлита. Температура за­калки 830—860° С, охлаждение в масле. Отпуск 150—160° С. Твер­дость после закалки и отпуска HRC 62—65; структура — бесструк­турный (скрытокристаллический) мартенсит с равномерно распре­деленными мелкими избыточными карбидами.

Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников (ди­аметром более 400 мм), работающих в тяжелых условиях при боль­ших ударных нагрузках, применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А. Детали крупногабаритных подшипников (кольца, ролики), изго­товляемые из стали 20Х2Н4А, подвергают цементации при темпера­туре 930—950° С в течение 50—170 ч с получением слоя глубиной 3—10 мм.

Автоматные стали. Автоматные стали отличаются от обыкновенных углеродистых конструкционных сталей повышенным содержанием серы и фосфора. Это стали А12, А20, А30, А40Г.

Характерной особенностью автоматных сталей является хоро­шая обрабатываемость резанием на металлорежущих станках. Это объясняется повышенным содержанием серы, которая образует большое количество включений сернистого марганца MnS, нарушаю­щих сплошность металла, а также тем, что фосфор, растворяясь в феррите, сильно снижает его вязкость. При механической обра­ботке автоматных сталей образуется короткая, ломкая стружка, что особенно важно при работе на быстроходных станках-автоматах. Поверхность обработанных деталей получается чистой и ровной. Стойкость режущего инструмента при обработке автоматных ста­лей повышается, а скорость резания допускается больше, чем при обработке обыкновенных углеродистых сталей.

Недостаток автоматных сталей — пониженная пластичность, особенно в поперечном направлении. Это связано с тем, что боль­шое количество сернистых включений образует полосчатую струк­туру. Поэтому автоматные стали применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механи­ческих свойств (крепежные детали, пальцы, втулки и т.д..).

Обрабатываемость улучшают также присадкой к стали неболь­шого количества свинца.

Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. К жаростойким (окалиностойким) относят стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхно­сти в газовых средах при температурах выше 550° С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

При высокой температуре в условиях эксплуатации в среде на­гретого воздуха, в продуктах сгорания топлива происходит окисле­ние стали (газовая коррозия). На поверхности стали образуется сначала тонкая пленка окислов, которая с течением времени увели­чивается и образуется окалина.

Способность стали сопротивляться окислению при высокой тем­пературе называется жаростойкостью (окалиностойкостью), которая характеризуется температурой начала интенсив­ного окалинообразования в воздушной среде. Для получения плотной (защитной) окисной пленки сталь ле­гируют хромом, а также кремнием или алюминием. Степень жаро­стойкости зависит от количества находящегося в стали легирующего элемента. Так, например, сталь 15X5 с содержанием 4,5—6,0% хрома жаростойка до температуры 700° С, сталь 12X17 (17% Сr) — до 900° С, сталь 15X28 (28% Сr) — до 1100—1150° С (стали 12X17 и 15X28 являются также и нержавеющими). Еще более высокой жаростойкостью (до 1200° С) обладают сплавы на никелевой основе с хромом и алюминием, например, сплав ХН70Ю (26—29% хрома; 2,8—3,5% алюминия).

К жаропрочным относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение опре­деленного времени и обладающие при этом достаточной жаростой­костью.

В отличие от прочности при нормальной (комнатной) темпера­туре, прочность при высоких температурах, т. е. сопротивление механическим нагрузкам при высоких температурах, называют жаропрочностью.

Характерным является не только уменьшение прочности стали при высоких температурах, но и влияние на прочность стали при высоких температурах длительности действия приложенной на­грузки. В последнем случае под действием постоянной нагрузки сталь «ползет», поэтому данное явление названо ползучестью. Итак, ползучесть — это деформация, непрерывно увеличивающаяся и за­вершающаяся разрушением под действием постоянной нагрузки при длительном воздействии температуры. Для углеродистых и легированных конструкционных сталей ползучесть наблюдается при температурах выше 350° С.

Ползучесть характеризуется пределом ползучести. Предел пол­зучести — это напряжение, вызывающее деформацию заданной ве­личины (обычно от 0,1 до 1 %) за определенный промежуток времени (100, 300, 500, 1000 ч) при заданной температуре.

Кроме того, жаропрочность характеризуют пределом длительной прочности—напряжением, вызывающим разрушение при дан­ной температуре за данный интервал времени. Например, а\ц — предел длительной прочности при сточасовом нагружении при 700° С. Факторами, способствующими жаропрочности, являются: высо­кая температура плавления основного металла; наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных частиц упрочняющей фазы; пластическая деформация, вызывающая наклеп; высокая темпера­тура рекристаллизации; рациональное легирование; термическая и термомеханическая обработка; введение в жаропрочные стали та­ких элементов, как бор, церий, ниобий, цирконий в десятых, сотых и даже тысячных долях процента.

Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку — температуре эксплуатации. Для работы при температурах до 350—400° С применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и мало­легированные).

Для работы при температуре 400—550° С при­меняют стали перлитного класса, например 15ХМ, 12Х1МФ. Для этих сталей основной характеристикой является предел ползуче­сти, так как они предназначены главным образом для изготовления деталей котлов и турбин (например, трубы паропроводов и паро­перегревателей), нагруженных сравнительно мало, но работающих весьма длительное время (до 100 000 ч).

Детали из сталей перлитного класса подвергают нормализации с температуры 950—1050е С и отпуску при 650—750° С с получением структуры сорбита с пластинчатой формой карбидов.

Эти стали содержат мало хрома и поэтому обладают невысокой жаростойкостью (до 550—600° С).

Для работы при температуре 500—600° С при­меняют стали мартенситного класса: высокохромистые, например 15X1ШФ для лопаток паровых турбин; хромокремнистые (называе­мые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов моторов; сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов.

Для получения оптимальной жаропрочности детали из этих сталей подвергают закалке в масле с температуры 1000—1050° С и отпуску при 700—800° С (в зависимости от стали). Сталь 40Х9С2 после закалки имеет структуру мартенсита и твердость HRC — 60, а после отпуска — структуру сорбита, твердость HRC — 30. Жаро­стойкость сталей мартенситного класса до температуры 750—850^оС.

Для работы при температуре 600—750° С при­меняют стали аустенитного класса, разделяемые на неупрочняемые (нестареющие) и упрочняемые (стареющие)*. Нестареющие стали — это, например, сталь 09Х14Н16Б, предназначаемая для труб паро­перегревателей и трубопроводов установок сверхвысокого давле­ния и применяемая после закалки с 1100—1150" С (охлаждение в воде или на воздухе).

Стареющие стали — это сложнолегированные стали, например 45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов моторов, деталей трубо­проводов, сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС— для лопаток газовых турбин. Детали из стареющих сталей подвергают закалке в воде, масле или на воздухе с температуры 1050—1200° С с последующим дли­тельным (8—24 ч) старением при температуре 600—800° С. При на­греве под закалку происходит растворение в твердом растворе (аустените) карбидов и других фаз, а после охлаждения получается однородный, пересыщенный, твердый раствор (аустенит). При ста­рении из пересыщенного твердого раствора (аустенита) выделяются высокодисперсные частицы карбидов и других фаз, упрочняющие сталь.

Жаростойкость сталей аустенитного класса 800—850° С.

Для работы при 800—1100° С применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток турбин. Эти сплавы стареющие и подвергаются такой же термической обработке (закалке и старению), как и стареющие стали аустенитного класса. Жаростойкость сплавов на никелевой основе до 1200° С.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ.

Инструментальные стали применяют для изготовления трех ос­новных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов. В связи с условиями работы инструмента к инструментальным ста­лям предъявляют определенные требования.

Сталь для режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, фрезы, протяжки и др.) должна обладать высокой твердостью, превышающей твердость обрабатываемого материала; износостойкостью; теплостойкостью, т. е. способностью стали со­хранять при нагреве рабочей кромки, возникающем при эксплуата­ции, структуру и свойства, необходимые для резания.

Измерительный инструмент (гладкие и резьбовые калибры и др.) служит для проверки размеров изготовляемых деталей.

Сталь для измерительного инструмента должна быть твердой и длительное время сохранять размеры и форму инструмента.

Штампы служат для деформирования металла в холодном и го­рячем состояниях.

Сталь для штампов холодного деформиро­вания (вытяжные, гибочные, высадочные штампы, дыропробив­ные пуансоны, ролики для накатывания резьбы и др.) должна иметь высокую твердость, износостойкость и достаточную вязкость.

Сталь для штампов горячего деформирования (ковочные, прошивные, обрезные штампы и др.) должна иметь высокие механические свойства, которые должны сохра­няться и при повышенных температурах, глубоко прокаливаться и обладать стойкостью против разгара.

Разгаростойкость характеризует устойчивость стали против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении.) В связи с различными условиями работы инструментальные стали по назначению делят на следующие группы: стали для режу­щих инструментов; стали для измерительных инструментов; штамповые стали.

В особую группу инструментальных материалов входят так называемые твердые сплавы, применяемые для инструмента, рабо­тающего при особо высоких скоростях резания.

Стали для режущих инструментов. Режущий инструмент изготовляют из углеродистых, легирован­ных и быстрорежущих сталей.

Углеродистые стали. Это стали марок У9 (0,9% С), У10 (1,0% С), У11 (1,1% С), У12 (1,2% С).

Для получения высокой твердости (HRC 60—64) эти стали закаливают в воде с 770—810°С, но, не­смотря на быстрое охлаждение, инструмент прокаливается на не­большую глубину — диаметром до 10—12 мм. Высокая твердость закаленной стали сохраняется при нагреве (отпуске) до 200° С. При более высоких температурах нагрева (выше 200° С) твердость значительно понижается.

Поэтому инструмент, изготовленный из углеродистых инстру­ментальных сталей, должен работать в таких условиях, чтобы в про­цессе работы режущая кромка не нагревалась до температуры выше 200° С.

Сталь У9 применяют для ножовочных полотен и деревообраба­тывающего инструмента (сверла, фрезы, ножи и др.). Стали У10, У11, У12 — для различного металлорежущего инструмента (свер­ла, метчики, развертки, фрезы, плашки и др.), напильников. Сталь У13 — для бритвенных ножей, лезвий острого хирургического инструмента, напильников.

Легированные стали. По сравнению с углеродистыми легированные стали 9ХФ, 11ХФ, 13Х имеют следующие преимущества: большую прокаливаемость (возможность применения для инструмента большего сечения); большую пластичность в отож­женном состоянии; возможность применения при закалке более умеренных охладителей — масла, горячих сред (меньшая деформа­ция инструмента); более высокую прочность (при изгибе) в зака­ленном состоянии; более высокие режущие свойства; более постоян­ные и однородные свойства в разновременно обрабатываемых пар­тиях инструмента. Назначение этих сталей следующее: 9ХФ — для круглых и ленточных пил, для ножей при холодной резке металла; 11ХФ — для метчиков и другого режущего инструмента диаметром до 30 мм, закаливаемого с охлаждением в горячих средах; 13Х — для брит­венных ножей и лезвий, острого хирургического инструмента, шаберов, гравировального инструмента.

Основной легирующий элемент в сталях X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ — хром. Сталь X легирована только хромом. Повышенное содержание хрома значительно увеличивает прокаливаемость. Сталь X прока­ливается в масле насквозь в сечении до 25 мм (твердость в сере­дине не ниже HRC 60), а сталь УК) только в сечении до 5 мм. При­меняют сталь X для токарных, строгальных и долбежных резцов в лекальных и ремонтных мастерских. Сталь 9ХС кроме хрома легирована кремнием. По сравнению со сталью X она имеет боль­шую прокаливаемость — до 35 мм; повышенную теплостойкость до 250—260° С (сталь X до 200—210° С); лучшие режущие свой­ства; более равномерное распределение карбидов. Из стали 9ХС изготовляют сверла, развертки, фрезы, метчики, плашки.

Сталь ХВГ легирована хромом, вольфрамом и марганцем. Она имеет большую прокаливаемость, чем сталь 9ХС, — до 45 мм. Являясь малодеформирующейся сталью, глубоко прокаливающейся, сталь ХВГ применяют для крупных и длинных протяжек, длинных метчиков, длинных разверток и т. п.

Сталь ХВСГ — сложнолегированная сталь и по сравнению с 9ХС и ХВГ лучше закаливается и прокаливается. При охлаждении в масле она прокаливается насквозь в сечении до 80 мм. Она меньше чувствительна к перегреву. Теплостойкость ее такая же, как у стали 9ХС. Сталь ХВСГ применяют для круглых плашек, разверток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.

Быстрорежущие стали. Эти стали широко приме­няют для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, в тяжелых условиях. Качество резцов, сверл и других инструментов зависит от качества быстрорежущей стали, тщательности и правильности изготовления инструмента и от его правильной термической обработки. Это стали марок Р18, Р12, Р6М5, Р14Ф4 и др. Быстро­режущие стали являются сложнолегированными и в их состав входят Cr, W, V, Mo, Co. Например, в состав стали Р18 входят: С-0,7-0,8%, Cr - 3,8 - 4,4 %, W-17,0-18,5%, V-1,0-1,4%. Быстрорежущие стали имеют высокую теплостойкость (до 620—640° С) и износостойкость. Более высокую теплостойкость имеют стали с повышенным содержанием ванадия и кобальтовые стали.

Твердость быстрорежущей стали после термообработки НВ 207—255.

СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ

Как указано в классификации сталей по применению, к этой группе относят стали с особыми химическими свойствами (нержа­веющие стали) и с особыми физическими свойствами (магнитные, с малым и заданным коэффициентом расширения и др.).

Рассмотрим стали с особыми химическими свойствами.

Нержавеющие (коррозионностойкие) стали. Нержавеющими сталями называют стали, обладающие стой­костью против электрохимической коррозии.

Хромистые нержавеющие стали. Содержание хрома в нержавею­щей стали должно быть не менее 12%. При меньшем содержании хро­ма сталь не способна сопротивляться коррозии, так как ее элек­тродный потенциал становится отрицательным. Это стали марок 12Х13,40Х13,12Х17,12Х18Н9,12Х18Н9Т и т.д. Наибольшая коррозионная стойкость стали 12X13 достигается после закалки в масле с темпера­туры 1000—1100° С, отпуска при 700—750° С. Эта сталь стойка в слабоагрессивных средах (воздух, вода, пар). Применяется для деталей с повышенной пластичностью (клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода и др.),

Сталь 40X13 применяют после закалки в масле с температуры 1000—1050° С и отпуска при температуре 180—200° С со шлифованной и полированной поверхностью. После термической обработки эта сталь обладает высокой твердостью (HRC52—55), структура мартенсит; применяется для хирургиче­ских инструментов, пружин, предметов домашнего обихода и др.

Более коррозионностойка (в кислотных средах) сталь 2X17, применяемая (в отожженном состоянии) для оборудования азотнокислотных заводов и заводов пищевой промышленности. Хромистая сталь ферритного класса, сталь 12Х18Н9 склонна к межкристаллитной коррозии при нагреве закаленной стали до 550—750° С (например, при сварке или при работе в усло­виях повышенных температур). Для предотвращения межкристаллитной коррозии в состав стали вводят титан (например, сталь 12Х18Н9Т) или снижают в стали содержание углерода например, сталь 04Х18Н10).

Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют большую коррозионную стойкость, чем хромистые нержавеющие стали, и их широко применяют в химической, нефтяной и пищевой промышленности, в автостроении, транспортном машиностроении, а также в строительстве.

ЧУГУН

Чугуном называют сплавы железа с углеродом с содержа­нием более 2% С (точнее более 2,14% С )

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод связан в цементит. В белых чугунах углерод образует с железом химическое соединение Fe₃C, а свободный углерод находится в виде графита.

серый чугун, в котором весь углерод находится в свободном состоя­нии в виде графита или часть углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита. Форма графита пластинчатая.

высокопрочный чугун, то же, что серый чугун, но форма графита шаровидная .

ковкий чугун, то же, что серый чугун, но форма графита хлопье­видная .

Как видно из приведенной классификации чугуна, отличитель­ной особенностью серого, высокопрочного и ковкого чугунов явля­ется наличие в структуре свободного углерода — графита. В зави­симости от формы и расположения графитных включений они в боль­шей или меньшей степени ослабляют металлическую основу, в кото­рой находятся.

Маркировка чугунов.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ, затем ставят два двухзначных числа: показывает предел прочности при растяжении, второе первое число– предел прочности при изгибе. Наример, СЧ12-28, СЧ15 – 32 и т.д.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем ставят два двухзначных числа: первое показывает предел прочности при растяжении, второе – относительное удлинение. Например, ВЧ38-17,ВЧ42-12 и т.д.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, затем ставят два двухзначных числа: первое показывает предел прочности при растяжении, второе – относительное удлинение.Например,КЧ30-6, КЧ35-10,кч63-2 и т.д.

Легированные чугуны .Свойства чугунов по аналогии со сталью можно улучшить легированием специальными элементами, такими же, какие используются при легировании стали. Легирующие элементы влияют на металлическую основу чугуна, а также на характер и размеры графитных включений, способствуют измельчению структуры. Назначение легированных чугунов самое различное. Чугуны применяют износостойкие, жаростойкие, жаропрочные, коррозионностойкие, антифрикционные.

Износостойкие чугуны. Для работы в условиях абразивного износа применяют чугун, содержащий 3,5—5% Ni; 0,8% Сг, обладающий удовлетворительной износостойкостью при легких условиях работы (рабочие органы насосов и др.). Чугуны для работы в условиях сухого трения в основном легированы хромом (до 0,6%) и никелем (до 2,5%) с добавками таких элементов, как титан, медь вольфрам, молибден. Из таких чугунов изготовляют тормозные барабаны автомобилей, диски сцепления, суппорты токарных станков, гильзы цилиндров и др. Высокой износостойкостью обладает высокохромистый чугун, например, марки ИЧХ12ГЗМ (12—14%Сг; I 2,8—3,8% Мn; 0,4—0,8% Мо), применяемый для дробильных вальцов, шаров шаровых мельниц и др.

Жаростойкие чугуны. К ним относится хромистый чугун с содержанием хрома от 0,5 до 30%; например: чугун марки ЖЧХ-30 (28—32% Сr), применяемый для деталей печей и вагранок, фурм и других деталей, работающих при высоких температурах (до 900°С); кремнистый чугун марки ЖЧС-5,5 (5—6% Si), применяемый для изготовления деталей, работающих при температурах до 800°С, для рам дверок мартеновских печей, деталей котлов и др.; алюминиевый чугун марки ЖЧЮ-22 (19—25% А1), обладающий наиболее высокой жаростойкостью и применяемый для деталей, работающих при тем­пературах до 1150°С (шлаковые фурмы доменных печей, плавильные тигли и др.).

Жаропрочные чугуны. К ним относится, например, чугун с шаро­видным графитом марки ЧН11Г7Х2Ш (10—12% Ni; 5—8% Мn; 1—2,5% Сr), обладающий высокими жаропрочными свойствами и применяемый для деталей дизелей, компрессоров по сжижению газов и др.

Коррозионностойкие чугуны. Эти чугуны бывают низко- и высоколегированные. Низколегированный чугун, например, марки ЧН1ХМД (0,7—1,5% Ni; 0,2—0,6% Сr; 0,3—0,6% Мо; 0,2—0,5% Сu) применяют для деталей, работающих при повышенных температурах в газовых средах (блоки и головки цилиндров двигателей внутреннего сгорания и др.). Высоколегированные чугуны — это кремнис­тые сплавы (ферросилиды), содержащие 14—18% Si (например, марка С17), стойкие во всех кислотах и щелочах. Их применяют для изготовления деталей насосов, оборудования для концентриро­ванных серной и азотной кислот и др.

29