Классификация легированных сталей

 

По химическому составу стали делятся в зависимости от того, какими элементами она легирована: хромистая, хромоникелевая и т.д.

По количеству легирующих элементов стали подразделяют на: низко- (до 2,5 %), средне-(2,5-10 %) и высоколегированные (выше 10 %).

По структуре стали делятся на классы: ферритный, перлитный, бейнитный, мартенситный, аустенитный и ледебуритный (карбидный). При охлаждении легированных сталей из аустенитного состояния можно получить различные структуры – перлит, мартенсит, аустенит. Обусловлено это тем, что С-образные кривые под влиянием большинства легирующих элементов смещаются вправо по оси времени (см. рис. 5.1), температуры мартенситного превращения: М_Н и М_К – в область более низких температур. Стали перлитного класса обычно низколегированные (30Х, 55С2), мартенситного – среднелегированные (40Х13, Р6М5), аустенитного – высоколегированные (120Г13, 55Х20Г9АН4).

По назначению стали делятся на: конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционные легированные стали – низко- (0,1-0,25 %) и среднеуглеродистые (0,3-0,6 %). Легирующие элементы добавляют для увеличения прокаливаемости (Cr, Mn, Mo), снижения порога хладоломкости (Ni). Обозначения в конце марки: ПП – сталь повышенной прокаливаемости, Л – литейная, К – сталь для котлов и др.

Строительные делят на стали для сварных металлоконструкций и арматурные для армирования железобетонных конструкций.

Свариваемые строительные стали предназначены для изготовления конструкций мостов, ферм, котлов, газо- и нефтепроводов и т. д. Отличительное их технологическое свойство – хорошая свариваемость, которая зависит от содержания углерода (не более 0,25 %). Обычно используют низколегированные, низкоуглеродистые стали: 09Г2С, 17ГС, 15ГФ, 14Г2АФД, 10ХСНД и др.

Главный недостаток углеродистых свариваемых строительных сталей (Ст0, Ст2)– низкая хладостойкость. Проблема повышения прочности и надежности при эксплуатации в Сибири и районах крайнего Севера решается с помощью применения низколегированных сталей (18Г2С, 25Г2С, 35ГС), упрочненных и неупрочненных.

Арматурные строительные стали предназначены для изготовления: ненапряженных железобетонных конструкций – стали обыкновенного качества (Ст3, Ст5); предварительно напряженных – средне- и высокоуглеродистые стали в горячекатаном состоянии, упрочненные.

Автоматные стали специально созданы для изготовления деталей в массовом производстве (например, крепежные изделия). Изготовление деталей должно быть высокотехнологичным, производительным, с высокими требованиями по размерам и чистоте поверхности. От материала не требуются высокие механические свойства. Стали содержат (0,08-0,45 %) углерода, повышенное количество серы (0,1-0,3 %), фосфора (0,05 %), марганца (0,7-1,0 %), а также селен, кальций, свинец. Стали маркируют буквой А и цифрами, обозначающими содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30. Присутствие свинца (0,15-0,3 %) обозначается буквой С (АС11, АС14), кальция – буквой Ц (АЦ45Х, АЦ40Г2), селена – буквой Е (А35Е).

Сера находится в виде неметаллических включений – сульфидов, которые нарушают сплошность металла в зоне резания и способствуют получению легко ломающейся стружки. Фосфор повышает твердость и прочность, что также способствует образованию хрупкой стружки и получению обработанной поверхности высокого качества.

В легированных автоматных сталях повышенной обрабатываемости, включения свинца, селена, теллура и кальция играют роль смазки и препятствуют схватыванию инструмента с материалом заготовки. Это облегчает образование и отделение стружки. Для увеличения скорости резания свинец заменяют селеном.

Для получения высоких механических свойств автоматные стали, дополнительно легируют марганцем, кремнием, хромом, молибденом: (АС30ХМ, АС38ХГМ).

Конструкционные стали общего назначения (в том числе цементуемые, улучшаемые, азотируемые)

Углеродистые стали применяются при изготовлении мелких деталей, что связано с их низкой прокаливаемостью. От материала не требуются высокие механические свойства, Повышение механических свойств достигается с помощью оптимального легирования.

Для изготовления деталей, подвергаемых цементации или нитроцементации, используются малоуглеродистые (до 0,25% С) низко- и среднелегированные стали. Легирование хромом (стали 15Х, 20Х) позволяет применять после цементации закалку в масло вместо закалки в воду. Это уменьшает коробление и образование трещин. Увеличение степени легирования хромом, дополнительное легирование никелем, молибденом, вольфрамом увеличивает прокаливаемость крупногабаритных изделий (стали 20ХН, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 30ХМА).

Улучшаемые стали – основным методом упрочнения изделий по всему сечению является улучшение (закалка с высоким отпуском). Первая группа – углеродистые стали (Ст35, 40, 45, 50), которые прокаливаются насквозь при диаметре до 12 мм. Они применяются для изготовления изделий малых сечений. Вторая группа – хромистые стали (30Х, 40Х), у которых критический диаметр при закалке в масле составляет 15-30 мм. В третью группу входят стали типа 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых критический диаметр 30-60 мм. Четвертая группа – стали типа 40ХН, 40ХНМ – 35-70 мм. Пятая группа – комплексно легированные стали, например, 38ХН3МФА – до 200 мм.

Азотируемые стали относятся к группе улучшаемых сталей, поскольку в процессе азотирования они подвергаются нагреву до температур, соответствующих высокому отпуску.

Высокопрочные стали (предел прочности более 1500 МПа) – это комплексно-легированные мартенситостареющие стали (МСС) и стали с пластичностью, наведенной превращениями (ПНП-стали).

МСС марки 03Н18К9М5Т (0,03 % С) после закалки имеют структуру безуглеродистого мартенсита. Упрочнение происходит при распаде мартенсита и выделении дисперсных включений типа Ni₃Ti, Fe₂Mo и др. Это явление называется старением мартенсита, сталь – мартенситостареющей. Стали применяют в самолето- и ракетостроении, криогенной технике и при повышенных температурах (до 450 °С).

ПНП-стали – стали аустенитного класса. После закалки сталь марки 30Х9Н8М4Г2С2 имеет аустенитную структуру, т. к. точка начала мартенситного превращения лежит ниже 0 °С. Последующая пластическая деформация при 400-600 °С вызывает явления наклепа и выделение карбидов, что упрочняет сталь. Область применения: силовые детали авиационных конструкций, броневой лист и др.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высоким сопротивлением к малым пластическим деформациям, при достаточной пластичности и вязкости. Для получения этих свойств сталь должна содержать более 0,5-0,7 % углерода и быть подвергнута термической обработке – закалке и среднему отпуску или деформационному упрочнению (наклепу).

Углеродистые стали 65Г, 70, 75 и У10 применяют для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих невысокие напряжения. Кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А имеют высокие пределы текучести и упругости, поскольку кремний повышает прокаливаемость. Стали типа 50ХА, 50ХФА, 55ХГР обладают повышенной усталостной прочностью при рабочих температурах до 300 °С.

Стали для шариковых и роликовых подшипников. Для изготовления тел качения и подшипниковых колец малых сечений используют хромистую сталь ШХ15, больших сечений – сталь повышеной прокаливаемости – ШХ15СГ. Сталь ШХ15 содержит около 1 % углерода и 1,5 % хрома. Сталь ШХ15СГ содержит также повышенное количество марганца (1 %) и кремния (0,5 %). Термическая обработка подшипниковых сталей состоит из закалки от температуры 850 °С и низкотемпературного отпуска. Достигается твердость не ниже 62 HRC. Подшипники, работающие в агрессивных средах, изготавливаются из нержавеющих сталей с высоким содержанием хрома (95Х18, 110Х18).

Инструментальные стали предназначены для изготовления различных инструментов: режущего, штампового и мерительного. Режущий инструмент работает в условиях высоких контактных нагрузок и трения с обрабатываемым металлом. Для обеспечения требуемой точности изготовления геометрия и свойства режущей кромки не должны изменяться в процессе работы. Материал инструмента должен обладать высокой твердостью (60 HRC), износостойкостьюи достаточной ударной вязкостью, чтобы сохранять геометрию режущей кромки и сопротивляться разрушению при динамических нагрузках.

При резании происходит нагрев режущей кромки инструмента. Поэтому основное требование, предъявляемое к инструментальным материалам – теплостойкость (красностойкость) – способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве. По назначению и теплостойкости выделяют несколько подгрупп сталей:

а) для режущего инструмента, работающего с небольшим разогревом до 350 °С (стали ХМФ, 9ХС);

б) для режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, с разогревом до 500-650 °С (быстрорежущие стали Р18, Р9, Р6М5);

в) для штампов холодного деформирования (стали ХВГ, Х6ВФ);

г) для штампов горячего деформирования (стали ХВ4Ф, Х12МФ);

д) для измерительного инструмента (стали 9Х1, 9ХВГ) и т.д.

Быстрорежущие стали применяются для изготовления инструмента, работающего при значительном нагружении и нагреве (600 °С) режущих кромок. Стали легированы карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием.

Маркируются буквой «Р» (rapid – быстрый), числом, показывающим содержание вольфрама, буквами и цифрами, указывающими дополнительные легирующие элементы и их количество. В марках быстрорежущих сталей не указывают углерод (более 1 %), хром (более 4 %), ванадий (более 2 %), молибден до 1 %. Например, Р18, Р9К5 и др.

После прокатки или ковки быстрорежущие стали подвергают отжигу для снижения твердости и повышения обрабатываемости резанием. Сталь выдерживают при 800-850 °С до полного превращения аустенита в перлитно-сорбитную структуру с избыточными карбидами. Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности и вязкости инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска.

При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение в аустените труднорастворимых карбидов вольфрама, молибдена и ванадия. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Температура закалки – 1220-1280 °С.

Для предотвращения образования трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности стали нагрев под закалку проводят с одним или двумя промежуточными прогревами в расплавах солей. Инструменты простой формы закаливают в масле, сложной – в расплавах солей (KNO₃, NaNO₃) при 250-400 °С.

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита (0,3-0,4 % углерода), нерастворенных при нагреве избыточных карбидов, остаточного аустенита (20-30 %). Последний снижает твердость, режущие свойства инструмента и его присутствие недопустимо.

При последующем отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550-570 °С в течение 45-60 мин. Число отпусков может быть сокращено после обработки стали холодом, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты простой формы. Твердость после закалки 62-63 HRC, после отпуска она повышается до 63-65 HRC.

Для дальнейшего повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости режущих инструментов применяют цианирование, азотирование, обработку паром и другие технологические операции поверхностного упрочнения. Их выполняют после окончательной термообработки, шлифования и заточки инструментов.

Стали для ударных инструментов должны обладать повышенной вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания режущих кромок инструмента. Необходимые свойства обеспечиваются соответствующим легированием. Хромокремнистые стали (4ХС, 6ХС) прокаливаются насквозь при диаметре 50-60 мм (охлаждение в масле), хромовольфрамокремнистые (5ХВ2СФ, 6ХВ2С) – до 70-80 мм. Предназначены: для изготовления пневматического инструмента (зубил, обжимок); вырубных, обрезных и чеканочных штампов, работающих с повышенными ударными нагрузками; рубильных ножей, штемпелей, клейм; прошивочного, деревообрабатывающего инструмента. Для повышения износостойкости инструмента проводят химико-термическую обработку (азотирование, нитроцементация), обеспечивающую увеличение поверхностной твердости без заметного снижения сопротивления хрупкому разрушению.