Состав стали.
Сталь - сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Процесс получения стали из железной руды называют выплавкой. Непосредственному получению стали предшествует доменный процесс. На обрабатываемость влияют химический состав, структура, механические свойства.
Кроме основы (железа) - Fe и углерода – С, в сталях в малых количествах присутствуют примеси:
Полезные примеси: Марганец (Мn), Кремний (Si).Полезные примеси необходимы для ведения металлургического процесса выплавки стали.
Вредные примеси: Сера (S)– повышает хрупкость стали. Фосфор (P)– снижает вязкость.
В составе стали присутствуют также специально добавленные легирующие элементы, которые придают сталям высокие конструкционные свойства. Это никель, хром, медь, молибден, алюминий, вольфрам, титан, ванадий, кобальт, ниобий и др.
Легирующий элемент Химический символ Обозначение
Алюминий Аl Ю
Бор В Р
Ванадий V Ф
Вольфрам W В
Кобальт Со К
Кремний Si С
Марганец Мп Г
Медь Си Д
Молибден Мо М
Ниобий Nb Б
Никель Ni Н
Титан Ti Т
Хром Cr X
Цирконий Zr Ц
Селен Se Е
Тантал Та Та
Редкоземельные металлы Ч
Классификация сталей
Стали классифицируют по: химическому составу, качеству, степени раскисления, методу придания формы и размеров, назначению.
а) По химическому составу стали разделяют на углеродистые и легированные.
б) По качественному признаку углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества ГОСТ 380-2005 и стали качественные ГОСТ 1050-88.
в) По степени раскисления стали разделяют на спокойные, полуспокойные и кипящие.
г) По методу придания формы и размера различают литые, кованые, катаные стали.
д) По назначению стали разделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами (жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые).
2.1. Углеродистые стали сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью.
Количество углерода в двухкомпонентных сталях определяет комплекс свойств углеродистых сталей.
По концентрации углерода углеродистые стали разделяют на:
- низкоуглеродистые (содержание углерода до 0,3%);
- среднеуглеродистые (содержание углерода от 0,3 до 0,5%);
- высокоуглеродистые (содержание углерода более 0,5%).
Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода.
По особенностям технологии выплавки (степени раскисления) различают стали:
- кипящие,
- полуспокойные,
- спокойные.
Кипящие, полуспокойные и спокойные стали отличаются содержанием технологических примесей.
Степень раскисления указывается в марке стали следующими индексами:
- кипящая - «КП»;
- полуспокойная - «ПС»;
- спокойная ~ «СП».
По качественному признаку углеродистые стали делятся на:
- стали обыкновенного качества ГОСТ 380-2005;
- качественные стали, которые содержат меньше вредных примесей ГОСТ 1050-88.
Маркировка сталей обыкновенного качества включает:
- буквы Ст (обозначают «сталь»);
- цифры от 0 до 6 (условный номер стали, который связан с содержанием углерода);
- букву Г (обозначает сталь с повышенным содержанием марганца);
- индекс кп, пс или СП (обозначает степень раскисления).
Примеры маркировки сталей обыкновенного качества: Ст 2 сп Ст – сталь; 2- номер по порядку – 2; сп - степень раскисления (спокойная).
Маркировка качественных сталей включает:
-две цифры (обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента);
- буква Г (обозначает сталь с повышенным содержанием марганца);
- буква К (обозначает т.н. котельную сталь);
- индекс кп или пс (обозначает степень раскисления для кипящих и полуспокойных сталей).
Содержание углерода в качественных сталях:
Марка стали Углерод, %
08 0,05-0,12
10 0,07-0,14
20 0,17-0,24
30 0,27-0,35
40 0,37-0,45
45 0,42-0,50
50 0,47-0,55
60 0,57-0,65
80 0,77-0,85
Примеры маркировки качественных сталей: Сталь10 сп Сталь; 10- среднее содержание углерода -0,1 %; сп степень раскисления (спокойная).
Сталь 45 кп Сталь; 45 - степень раскисления (кипящая); кп - среднее содержание углерода -0,45 %.
2.2. Легированные стали. Обрабатываемость легированных сталей весьма различается в зависимости от их химического состава, механических свойств. Высоколегированные стали имеют низкую обрабатываемость резанием.
Легирующие элементы придают сталям высокие конструкционные свойства и используются для получения сталей с особыми свойствами.
Легированные стали разделяют на:
- низколегированные (содержание легирующих элементов в сумме менее 2,5%)
- среднелегированные (содержание легирующих элементов в сумме от 2,5 до 10%)
- высоколегированные (содержание легирующих элементов в сумме более 10%)
Маркировка легированных сталей включает:
- цифры (обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента);
- букву (обозначает легирующий элемент);
- цифры после буквы (обозначают содержание легирующего элемента в процентах.
- если содержание элемента менее 1%, то цифра не ставится;
- буква А в конце (обозначает высококачественную сталь, содержащую незначительное количество вредных примесей).
Пример маркировки легированных сталей: 12 X 18 Н 10 Т 12 - содержание углерода - 0,12%; X- хром; 18 - содержание хрома -18%; Н- никель; 10 - содержание никеля -10%; Т - т и тан (содержание менее 1%).
4 Х 12 Н 8 Г 8 М Ф Б 4 - содержание углерода - 0,04%; Х - хром; 12 - содержание хрома -12%; Н - никель; 8- содержание никеля - 8%; Г- марганец; 8 - содержание марганца - 8%; М - молибден; Ф - ванадий; Б – ниобий.
Буква А в марках сталей означает высококачественную сталь. Например: 7АМ5 - высокоуглеродистая (0,7%), высококачественная, легированная: молибден 5%; 8ГА - высокоуглеродистая (0,8%), легированная: марганец до 1%, высококачественная.
Классификация сталей по назначению.
В зависимости от назначения стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.
Конструкционные стали применяются для изготовления оборудования, строительных конструкций и других сооружений.
Конструкционные стали можно разделить на стали:
- общего назначения (СтЗ, 10, 45, 40Х и др.). Применяются для изготовления различных деталей машиностроения, не требующих особых свойств. Хорошо обрабатываются резанием.
- повышенной прочности (9Г2С, 10ХСНД и др.). Применяются для изготовления деталей наружных конструкций. Обрабатываемость резанием - удовлетворительная.
- высокопрочные (ЗОХГСНА, 30Х2ГСН2ВМ, 40ХГСНЗВА и др.). Применяются в самолетостроении, машиностроении для деталей, требующих высокой прочности. Обрабатываемость резанием - пониженная.
- валковые (9Х2МФ, 45ХНМ и др.). Применяются для изготовления валков, осей. Обрабатываемостьрезанием удовлетворительна я.
- подшипниковые (ШХ15 и др.). Применяются для изготовления деталей подшипников. Обрабатываемость резанием - удовлетворительная.
- автоматные (А20, АЗО, АС20ХГНМ и др.). С целью улучшения обрабатываемости в состав сталей введены сера, селен, теллур, кальций, свинец.
Инструментальные стали применяются для изготовления инструментов.
Инструментальные стали делятся на:
- углеродистые (У8, У8А, У12А и др.). Используются при изготовлении инструментов для резания легкообрабатываемых материалов на низких скоростях резания. Обрабатываемость резанием - хорошая.
- легированные (9ХС, ХВГ, ХВСГ и др.). Применяются для изготовления некоторых видов режущего инструмента. Обрабатываемость резанием - удовлетворительная.
- быстрорежущие (Р6М5, Р9М4К8 Р10К5Ф5и др.). Применяются для изготовления большой номенклатуры режущего инструмента. Обрабатываемость резанием - пониженная.
Стали с особыми свойствами - это высоколегированные стали для изготовления оборудования, работающего в особо неблагоприятных условиях. Необходимое сочетание особых свойств достигается легированием хромом, никелем, титаном, молибденом, алюминием, ванадием, кобальтом и т.п.
Стали с особыми свойствами разделяются на:
- теплоустойчивые 25ХМФ, 15Х1М1Ф и др.). Предназначены для работы при температурах до 560°.
Обрабатываемость резанием - пониженная.
- жаропрочные (1Х12Н2ВМФ, 4Х12Н8Г8МФБ, ЗХ19Н9МВБТ и др.). Предназначены для работы в условиях воздействия высоких температур и действия механических нагрузок. Обрабатываемость резанием - низкая.
- жаростойкие (20Х23Н18, 15Х25Т и др.). Предназначены для работы в малонагруженном состоянии в агрессивных газовых средах при высоких температурах. Обрабатываемость резанием - пониженная.
- коррозионностойкие (среда кислот Н2SO4; Н2S и т.д.), 12Х18Н10Т, 20Х13 и др. Предназначены для работы в условиях воздействия агрессивных сред (кислоты, щелочи, морская вода и пр.). Обрабатываемость резанием - пониженная.
При изготовлении ответственных деталей газовых турбин, авиационных двигателей находят применение:
- жаропрочные сплавы на железо-никелевой основе: ХН35ВТ; ХН35ВТЮ;
- жаропрочные сплавы на никелевой основе: ХН77ТЮР; ХН80ТБЮ; ХН70ВМЮТ; ХН65В9М4ЮТ; ХН55ВМТФКЮ.
Эти материалы имеют высокие механические свойства и очень низкую обрабатываемость резанием.