Основы классификации сталей и их маркировка

Стали являются наиболее многочисленными сплавами и широко применяются в промышленности как основной машиностроитель­ный материал.

Стали классифицируют по химическому составу, способу про­изводства и применению.

По химическому составу классифицируют в основном конст­рукционные стали. Согласно этой классификации стали подразде­ляют на углеродистые, хромистые, хромоникелевые и т. д. Другие стали, например инструментальные с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу почти не классифици­руют.

По способу производства (определение условий металлурги­ческого производства сталей и содержание в них вредных приме­сей) стали классифицируют на группы А, Б, В и Г.

Группа А. К ней относятся стали обыкновенного качества. Они могут иметь повышенное содержание серы (до 0,055%) и фосфора (до 0,07%).

Механические свойства сталей обыкновенного качества ниже механических свойств сталей других классов. Основным элемен­том, определяющим механические свойства этих сталей, является углерод. Их выплавляют в кислородных конвертерах и марте­новских печах. Стали обыкновенного качества подразделяют на спокойные (полностью раскисленные), кипящие (не полностью раскисленные) и полуспокойные (занимающие промежуточное по­ложение между спокойными и кипящими). Согласно ГОСТу спо­койные, полуспокойные и кипящие стали обозначают в конце марки буквами, соответственно сп; пс и кн.

Группа Б. К ней относятся качественные стали — углероди­стые или легированные. В этих сталях содержание серы и фос­фора не должно превышать 0,035% каждого. Выплавляют их в основных мартеновских печах.

Группа В. К этой группе относятся высококачественные стали, главным образом легированные, выплавляемые в электропечах. В этих сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,025% каждого.

Группа Г. Стали особовысококачественные, выплавляемые в электропечах, электрошлаковым переплавом или другими мето­дами. Содержание серы и фосфора до 0,015% каждого.

По применению стали подразделяют на строительные, машино­строительные (конструкционные, общего назначения), инстру­ментальные, машиностроительные специализированного назначе­ния, с особыми физическими свойствами, с особыми химическими свойствами (устойчивые против коррозии).

Строительные стали — это углеродистые и некоторые низко­легированные стали с небольшим содержанием углерода — стали обыкновенного качества.

Для машиностроительных сталей (конструкционных) общего назначения главной характеристикой являются их механические свойства, которые зависят от содержания углерода, изменяюще­гося в пределах 0,05—0,65%.

Инструментальные стали имеют высокие твердость, прочность и износостойкость. Их используют для изготовления режущего и измерительного инструментов, штампов и т. д. Твердость и вяз­кость зависят от содержания в инструментальных сталях угле­рода.

Машиностроительные стали и сплавы специализированного назначения характеризуются их механическими свойствами при низких и высоких температурах; физическими, химическими и технологическими свойствами. Они могут быть использованы для эксплуатации в особых условиях (на холоде, при нагреве, при ди-намических и гидроабразивных нагрузках и т. п.).

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами получают эти свойства в результате специального легирования и термической обработки. Их применяют в основном в приборостроении, электронной, радиотехнической промышленности и т. д.

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (стойкие против коррозии). Стойкости сталей против коррозии достигают при содержании хрома не ниже 12,5—13%. Стали с высоким содержанием хрома и никеля — стойкие в агрессивных средам.

Маркировка сталей. Стали обыкновенного качества обозна­чают марками Ст0 — Ст6. Чем выше номер, тем выше прочностные свойства стали и содержание углерода.

Качественные, высококачественные и особовысококачественные стали маркируют следующим образом. Содержание углерода указывают в начале марки цифрой, соответствующей его содер­жанию: в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,7% С (конструкционные стали), и в десятых долях процента для ста­лей, имеющих более 0,7% С (инструментальные стали). Соответ­ственно сталь, содержащую до 0,1 % С, обозначают как сталь К сталь с 0,5% С — сталь 50, сталь с 1% С — сталь У10.

Легирующие элементы обозначают русскими буквами, на­пример Н (никель); Г (марганец); X (хром); С (кремний) и т. д. Если после буквы нет цифры, то сталь содержит 1,0—1,5% ле­гирующего элемента; если стоит цифра, то она указывает содержание легирующего элемента в процентах, кроме молибдена и ванадия, содержание которых в сталях обычно до 0,2—0,3%.

Различие в обозначении качественной стали по сравнению с высококачественной сталью состоит в том, что в конце марки высококачественной стали ставят букву А: сталь 30ХНМ — ка­чественная, а сталь ЗОХНМА — высококачественная. В конце марки особовысококачественной стали стоит буква Ш.

Для некоторых высококачественных сталей бывают следую­щие отклонения в обозначении:

1) все инструментальные, легированные стали и сплавы с особыми физическими свойствами всегда высококачественные, по­этому в марках этих сталей букву А не ставят;

2) шарикоподшипниковые стали обозначают в начале марки буквами ШХ, затем стоит содержание хрома в десятых долях процента; например, сталь ШХ15;

3) быстрорежущие сложнолегированные стали обозначают бук­вой Р, следующая за ней цифра указывает на содержание в ней вольфрама в %;

4)электротехнические стали обозначают буквой Э; следующая за ней цифра указывает на содержание в ней кремния в %.

Цветные металлы и сплавы

Алюминий и его сплавы. Алюминий – легкий металл (плот­ность 2,7 г/см3), обладает высокими теплопроводностью ~ 200 Вт/(м°С) и электропроводностью (3,8•105 Ом–1см–1). Алюми­ний имеет большое сродство к кислороду, легко окисляется на воздухе. При этом его поверхность покрывается плотной пленкой окиси алюминия (~ 0,2 мкм), которая хорошо защищает от даль­нейшего окисления, поэтому алюминий стоек против коррозии. Температура плавления алюминия 660° С.

Алюминиевые сплавы разделяют на деформируе­мые и литейные. К деформируемым алюминиевым сплавам отно­сятся дуралюмины (Д1—Д16), содержащие 3,8—4,9% Сu, 0,4— 1,8% Mg, 0,4—0,9% Мn; авиали (АВ), содержащие 0,2—0,6% Сu, 0,4—0,9% Mg, 0,15—0,35% Мn, 0,5—1,2% Si; высокопрочные алюминиевые сплавы, содержащие медь, магний, марганец и уп­рочняющие добавки (до 8,5% Zn или 0,1—0,25% Сг); ковочные алюминиевые сплавы (АК), содержащие 1,8—4,8 Сu, 0,4—0,8% Mg, 0,4—1,0% Мn, 0,6 — 1,2% Si, а также жаропрочные алюминиевые сплавы, в которые в качестве упрочняющих добавок вводят желе­зо, никель, титан и цирконий. Эти сплавы хорошо обрабатыва­ются ковкой, штамповкой, прокаткой. Механические свойства их повышаются после термической обработки. Благодаря высоким механическим свойствам и малой плотности эти сплавы широко применяют в машиностроении, самолетостроении, химической промышленности, транспортном и пищевом машиностроении, при­боростроении и т. д. Кроме термически обрабатываемых дефор­мируемых сплавов, широко применяют алюминиевые деформиру­емые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц до 1,6 % Мn) или магнием и марганцем (АМг), содержащие 1,8—5,8% Mg и 0,2-0,8% Мn.

Эти сплавы хорошо обрабатываются давлением (штамповкой в холодном состоянии, гибкой и т. д.), свариваются и имеют вы­сокую коррозионную стойкость. Их широко применяют в стро­ительных конструкциях (рамах, перегородках, дверях, витра­жах и т. д.), при изготовлении баков для бензина, трубопро­водов и т. д.

Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления деталей машин и приборов литьем. Они имеют хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть в расплавленном состоянии, малую усадку при затвердевании, высокие механические свойства. Кроме того, они хорошо обрабатываются резанием. Из литейных алюминиевых сплавов наибольшее применение имеют силумины — сплавы алюминия с 10 – 13% Si; сплавы алюминия с медью и мар­ганцем, содержание 4,5 –5,3% Си и до 1% Мn; сплавы алюминия с 9,5-11,5% Mg.

Силумины наиболее широко используют для изготовления многих деталей в машиностроении и приборостроении: блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, картеров блоков, корпусов компрессоров, арматуры и т. д.

Сплавы алюминия с медью, обладающие повышенной проч­ностью, применяют для литья деталей, работающих при нагрузках (арматуры, кронштейнов и др.).

Сплавы алюминия с магнием обладают хорошей коррозионной стойкостью и применяются для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении. Многие отливки из алю­миниевых сплавов подвергают термической обработке для повы­шения их механических свойств, пластичности, а также снижения остаточных напряжений.

Алюминий применяют для приготовления спеченных алюми­ниевых сплавов (САС) и спекаемых алюминиевых пудр (САП), из которых методами порошковой металлургии (прессованием с пос­ледующим спеканием) изготовляют детали машин.

Магний и его сплавы. Магний относится к группе легких металлов, плотность его в твердом состоянии 1,738 г/см3, темпе­ратура плавления 651° С. Магний, являясь весьма химически активным металлом, широко применяется в виде сплавов с алю­минием, цинком, марганцем.

Магниевые сплавы подразделяют на деформируемые сплавы (МА), используемые в виде листов, полос, профилей, прут­ков и поковок, и литейные сплавы (Мл), из которых получают фа­сонные отливки.

Деформируемые магниевые сплавы обычно содержат 1—2% Мn, до 0,8% А1, десятые доли процента кальция и церия; высокопроч­ные сплавы — до 5% А1 и 1,5% Zn, а жаропрочные магниевые сплавы содержат добавки циркония, никеля и др. Деформируе­мые магниевые сплавы имеют прочность до 264—274 МН/м2 при удлинении 7—12%. Из этих сплавов изготовляют сварные бензо - и маслобаки, арматуру бензо - и маслопроводов самолетов, летательных аппаратов, детали прядильных и ткацких стан­ков.

Литейные магниевые сплавы содержат 2,5—9,0% А1 и 0,2—1,5% Zn, а также 0,15—0,5% Мп; предел прочности при растяжении 177—235 МН/м2, при удлинении 3—8%. Детали, отлитые из жаропрочных магниевых сплавов, способны работать продолжи­тельное время при температуре до 250° С, а кратковременно при температурах до 400—450° С.

Литейные магниевые сплавы имеют невысокий модуль упру­гости (Е 43 000 МН/м2) и вследствие этого высокие демпфиру­ющие свойства (гасят колебания и вибрации конструкции). Од­нако литейные магниевые сплавы имеют невысокую коррозион­ную стойкость, для ее повышения отливки из этих сплавов окси­дируют и покрывают защитными лаками. Отливки из магниевых сплавов широко применяют в самолето - и ракетостроении, в автомобильной промышленности (для картеров двигателей, коробок передач), в электротехнике, радиотехнике (для деталей и корпу­сов приборов), в текстильной и полиграфической промышленностях, транспортном машиностроении и т. д.

Медь и ее сплавы. Технически чистая медь обладает высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, электропроводностью и теплопроводностью. Плотность меди 8,97 г/см3, температура плавления 1083°С, теплопроводность 385 Вт/(м°С), удельное электросопротивление 0,018 Ом∙мм2/м. В литом состоянии медь имеет предел прочности на растяжение 170—200 МН/м2, предел текучести 70—90 МН/м2 и относительное удлинение 17—20%. Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и кор­розионной стойкости медь широко применяют для изготовления линий электропередач и проводной связи, в электромашинострое­нии — для деталей электрических машин и приборов. Около 50% всей меди используют в электропромышленности.

Высокая теплопроводность и коррозионная стойкость способ­ствуют широкому использованию меди в химическом машино­строении для изготовления вакуум-аппаратов, трубчатых змее­виков, теплообменников в холодильных агрегатах.

Медные сплавы подразделяют на бронзы и латуни. Бронзами называются сплавы меди с оловом (4—33% Sn), свинцом (~30%Рb), алюминием (5—11% А1), кремнием (4—5% Si), сурьмой и фосфо­ром. Бронзы имеют более высокую прочность и твердость, чем чистая медь. Бронзы применяют для изготовления фасонных от­ливок (литейные бронзы) и деталей машин штамповкой, ковкой, прокаткой (бронзы для обработки давлением).

Литейные бронзы применяют для изготовления червячных шестерен, подшипников скольжения, ходовых гаек, корпусов вентилей, клапанов, задвижек, золотников и т. д. Бронзы при обработке давлением применяют для изготовления прутков, по­лосы, ленты, толстостенных труб, из которых штамповкой, ков­кой, обработкой резанием изготовляют различные детали машин и приборов (втулки, коллекторы электрических машин, пружины, мембраны, детали часовых механизмов, решетки, сетки, электроды иликтросварочных машин и т. д.).

Латунямн называют сплавы меди с цинком (до 50% Zn) с небольшими добавками других элементов (алюминия, кремния, никеля, марганца). Латуни, так же как и бронзы, применяют для изготовления деталей машин обработкой давлением и резанием и фасонных отливок.

Из латуней, обрабатываемых давлением, получают прутки, трубы, листы, ленту, из которых затем штамповкой, обработкой резанием изготовляют различные детали машин — радиаторные и манометрические трубки, сильфоны (гофрированные трубы), корпуса сварочных горелок, детали приборов и т. д.

Из литейных латуней отливают корпуса паропроводной арматура с повышенной коррозионной стойкостью в морской воде, шестерни, втулки, подшипники, гребные винты, гайки нажимных винтов и т. д.

Титан и его сплавы. Титан относится к группе тугоплавких металлов. Температура плавления титана 1665 ± 5° С, плотность ~ 4,5 г/см3. Предел прочности при растяжении чистого титана σв = 250 МН/м2, удлинение δ = 70%; технического титана, со­держащего примеси, σв = 300 – 550 МН/м2, δ = 20 – 30%, т. е. чем больше примесей содержится в титане, тем выше его прочность и ниже пластичность. Однако отношение σв/γ (удельная прочность) титана значительно выше, чем у многих легированных конструк­ционных сталей. Вследствие этого при замене стали титановыми сплавами можно при равной прочности получить до 40% эконо­мии по массе детали. Несмотря на высокую температуру плавле­ния, титан имеет более низкую жаропрочность, чем сплавы на основе железа и никеля. Предельная температура использования титана и его сплавов не выше 550—600° С. При более высокой тем­пературе титан и его сплавы легко окисляются и поглощают во­дород.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением, свари­вается, из него можно изготовлять сложные фасонные отливки, но обработка резанием затруднительна.

Для получения сплавов с заданными механическими свойст­вами титан легируют алюминием, молибденом и др.

Наибольшее применение нашли сплавы, в которых основным легирующим элементов является алюминий, например сплав ВТ5, содержащий до 5% А1, с σв —700 – 900 МН/м2 при удлинении δ = 10 – 12%. Из этих сплавов получают отливки, поковки, листы и т. д. Кроме того, применяют и сложнолегированные спла­вы, например, ВТ3–1, ВТ–6, ВТ–8.

Титановые сплавы можно упрочнять термической обработкой в печах с защитной атмосферой. Титан и его сплавы широко ис­пользуют в различных областях техники (авиационной, ракетно-космической, судостроении, химической промышленности), когда требуются высокая удельная прочность и хорошая сопротивляе­мость коррозии.

Из титановых сплавов делают обшивку фюзеляжей, крыльев сверхзвуковых самолетов, лонжероны, шпангоуты и другие де­тали. Для стационарных паровых и газовых турбин из титановых сплавов изготовляют диски и лопатки. В судостроении титан и его сплавы применяют для обшивки корпусов и подводных крыльев, а также для различной аппаратуры. Титан и его сплавы применяют и в химическом машиностроении для изготовления ем­костей фильтров, трубопроводов, змеевиков и других аппаратов. Некоторые титановые сплавы обладают повышенной пластичностью при низких температурах, поэтому их используют и для изготовления деталей машин в криогенной технике.