Лигированые стали

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 (ГОСТ 380-71) содержат повышенное количество S (до 0,05 %) и Р (до 0,04 %, Ст0 до 0,07 % Р). Эти стали выплавляют преимущественно в больших мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кислородных конвертерах. Обозначение марок стали - буквенно-цифровое: буквы Ст означают "сталь" цифры от 0 до 6-условный номер марки, например, Ст0, Ст2...Ст6. Степень раскисленности стали обозначают буквами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали марок Ст0-Ст4, полуспокойными и спокойными можно выплавлять все стали от Ст1 до Ст6.

Сталь подразделяют на три  группы: А, Б и В в марках указывают только группы Б и В, например Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая); БСт3кп (сталь 3, группы Б, кипящая); ВСт3пс (сталь 3, 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 s_в, s_т, и d. С увеличением номера стали прочность растет, а пластичность уменьшается:

Сталь    Ст1пс    Ст3пс и Ст3сп Ст6сп

s_в, Мпа   320-420      380-490          >600

s_т, Мпа      -           210-250              300-320

d, %   31-34     23-26              12-15

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.

Углеродистая сталь обыкновенного  качества - дешевая и во многих случаях  удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80 % всего производства углеродистых сталей.

Качественные стали. 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, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (пределы по углероду 0,07-0,08 % для одной марки), степень раскисленности - буквами пс, кп (спокойные, качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 10кп (0,10 % С, кипящая), сталь 30пс (0,30 % С, 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 (S£0,035 % и Р£ 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 нашей стране принята буквенно-цифровая система.

Легирующие  элементы обозначают следующими буквами: хром - Х, 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 % Сг; 1 % Мn и около 0,1 % Тi; марки 12ХН3 -0,12 % С; 1 % Сг и 3 % Мn.

Нестандартные стали обозначают различным образом. Наиболее часто  встречается обозначение буквами  ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе "Электросталь" (буква  Э), сталь исследовательская (буква  И) или пробная (буква П). 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.

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 % С, используют как котельные, строительные и  для деталей машин, подвергаемых цементации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных  конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость.

Для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки, применяют стали, содержащие 0,36-0,50 % С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т.д.). Эти  стали подвергают термической обработке-закалке с последующим высокотемпературным отпуском (улучшению).

Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50-0,70 % С. Эти стали также применяют только после соответствующей термической обработки.

Из стали с 0,7-1,5 % С изготавливают  ударный и режущий инструмент.

Углеродистые стали маркируют  У7, У8..., У13, где буква У означает углеродистую сталь, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, т.е. сталь У10 содержит 1 % С. Эти стали иногда выплавляют высококачественными и тогда их маркируют 10А или УЗА и т.п. Химический состав и механические свойства углеродистых инструментальных сталей приведены в ГОСТ 1435-74.

У инструментальных легированных сталей содержание углерода также обозначают в десятых долях процента, например, сталь 9ХС содержит 0,9 % С; 1 % Сг и 1,4 % Si. Если углерода больше 1 %, то цифры не указывают, например, стали ХВГ, ХГ и т.д.

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.

1.4.Дефекты легированных сталей

Кроме дефектов, характерных для углеродистых сталей, в легированных сталях проявляются  и специфические дефекты: дендритная ликвация, флокены и отпускная  хрупкость II рода.

Дендритная ликвация. Наличие легирующих элементов увеличивает температурный интервал кристаллизации. Кроме того, диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Устраняется дендритная ликвация диффузионным отжигом.

Флокены. Как уже отмечалось, газы оказывают различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их нежелательное присутствие, так как свойства сталей ухудшаются, например, возникает один из дефектов легированных сталей–флокены (трещины, которые можно выявить при макротравлении). На изломах флокены имеют вид блестящих круглых или овальных пятен, являющихся поверхностью трещин. Установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200 °С после ковки или прокатки вследствие присутствия в металле водорода, растворившегося в жидком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали  из твердого раствора, он вызывает сильные внутренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в конструкционных сталях, содержащих хром и никель. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл в области 250–200 °С охлаждают медленно или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Цементуемые стали

 

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

Для изделий  небольших размеров, деталей неответственного  назначения применяют стали 10, 15, 20, для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием углерода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и др.

Изделия небольшого сечения  и несложной. формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1 % Сг. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fе, Сг)₃С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической  обработки увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ванадием (0,1¾0,2 %)–сталь 15ХФ–способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Для изготовления цементуемых деталей  средних размеров, испытывающих при  работе высокие удельные нагрузки, используют стали, в состав которых входит никель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Из-за дефицитности никеля эти стали заменяют другими легированными сталями. К ним относятся хромомарганцевые стали с небольшим количеством титана (0,006–0,12 %): 18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемые стали титан вводят только для измельчения зерна. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.

Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и  др.) используют для изготовления деталей  больших  сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей.

С целью повышения прочности  для цементуемых сталей применяют  стали, легированные бором (0,002–0,005 %): 15ХР, 20ХГР и др. Сталь 20ХГНР в целях  экономии никеля применяют  вместо стали 12ХНЗА. При ХТО следует учитывать, что бор, увеличивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве. Для уменьшения чувствительности сталей к перегреву их дополнительно легируют Тi или Zr.

Обычно изделия, изготовленные из высоколегированных цементуемых сталей, подвергают цементации на небольшую глубину.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Улучшаемые  стали

 

Улучшаемыми сталями  называют среднеуглеродистые конструкционные  стали (0,3–05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают s_в=600¸700 МПа и КСU=0,4–0,5 МДж/м². Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпиндели, валы, оси и т.д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость НRС 40–50. Для получения высокой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т.д.).

Для получения высоких  механических свойств в деталях  сечением более 25–30 мм применяют легированные стали, которые  обладают большей  прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки  меньше, следовательно, меньше закалочные напряжения, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их основное преимущество перед углеродистыми конструкционными сталями–лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости.

Большинство легированных конструкционных  сталей относится к перлитному классу.

При создании легированных сталей всегда учитывают стоимость  легирующего элемента и его дефицитность.

Основным легирующим элементом  в конструкционных сталях  является хром, содержание которого обычно составляет 0,8–1,1 %; марганца в сталях до 1,5 %; кремния 0,9–1,2 %; молибдена 0,15–0,45 %; никеля 1–4,5 %. Общая сумма легирующих элементов не превышает 3–5 %.

Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость. Никель является исключением–он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог  хладноломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особенно  ценны как конструкционный материал.

Кроме названных элементов, в конструкционные стали для  деталей машин вводят около 0,1 % V, Тi, Nb, Zr для измельчения зерна. Введение 0,002–0,003 % В увеличивает прокаливаемость.

Улучшаемые стали можно  условно разделить на несколько  групп. Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для увеличения прокаливаемости  в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в  сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистые стали около 1 % Мn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15–0,25 % Мо.

Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали  обладают хорошей свариваемостью и прочностью, например, сталь 30ХГС после термической обработки имеет s_в=1650 МПа при КСU=0,4 МДж/м². Недостаток этих сталей склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.

Чем больше размер детали, сложнее  ее конфигурация, выше напряжения, возникающие  в ней в процессе работы, тем  с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.