Класифікація та маркування вуглецевих сталей

Вуглецеві сталі класифікують за кількома ознаками: за рівноважною структурою, за хімічним складом, за ступенем розкислення, за якістю та за призначенням.

За рівноважною структурою вуглецеві сталі поділяються на три групи:

доевтектоїдні – сталі, які містять від 0,02 до 0,8%С, структура яких складається з фериту і перліту;

евтектоїдні – сталі, які містять 0,8%С, структура яких складається з перліту;

заевтектоїдні – сталі, які містять понад 0,8 до 2,14%С, структура яких складається з перліту і цементиту вторинного.

Сплави заліза з вуглецем, які містять до 0,02%С називають технічним залізом. Структура таких сплавів складається в основному з фериту.

Мікроструктури доевтектоїдної, евтектоїдної, заевтектоїдної сталей і технічного заліза наведені на рис.5.3.

Рис.5.3. Мікроструктури доевтектоїдної (а), евтектоїдної (б), заевтектоїдної (в) сталей і технічно чистого заліза (г)

За хімічним складом (вмістом вуглецю) вуглецеві сталі поділяють на низьковуглецеві (<0,3%С), середньовуглецеві (0,3…0,6%С) та високовуглецеві (>0,6%С).

За ступенем розкислення сталі поділяють на киплячі (£0,07%Si), напівспокійні (0,07<Si<0,17%) та спокійні (0,17<Si<0,37%). Киплячу сталь позначають літерами “кп” наприкінці марки сталі, наприклад: Ст3кп, 05кп; напівспокійну сталь – літерами “пс”, наприклад: Ст3пс, 08пс; спокійну сталь у більшості випадків літерами не позначають за виключенням сталей звичайної якості, які позначають літерами “сп”, наприклад Ст3сп.

Якість сталі визначається в першу чергу кількістю шкідливих домішок – сірки та фосфору. Тому в основу класифікації за якістю покладено вміст в сталі P і S. За цією ознакою вуглецеві сталі поділяють на сталі звичайної якості (S£0,06%, Р£0,07%), якісні (S£0,04%, Р£0,035%) та високоякісні (S£0,025%, Р£0,025%).

За призначенням вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (для деталей машин і будівельних конструкцій) та інструментальні.

Конструкційні сталі повинні поєднувати достатню міцність і в’язкість. Таким вимогам відповідають доевтектоїдні сталі.

Конструкційні сталі за технологічною ознакою поділяються на ливарні та на сталі, що деформуються. Сталі, що деформуються, в свою чергу поділяються, в залежності від вмісту шкідливих домішок, на звичайної якості, якісні та автоматні.

Сталі звичайної якості, відповідно до ГОСТ 380-88, маркують літерами “Ст” і цифрами, які вказують номер марки, а наприкінці марки ставлять, в залежності від ступеня розкислення, літери “кп”, “пс” або “сп”. Із сталей цієї групи виготовляють гарячекатаний прокат (балки, прутки, швелери листи, труби), застосовують для будівельних конструкцій та маловідповідальних деталей машин.

Вуглецеві якісні сталі, відповідно до ГОСТ 1050-88, маркують двозначним числом, що вказує середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Ступінь розкислення позначається літерами “кп”, “пс”, які ставляться після числа. В спокійних сталях літери “сп” не ставлять. Наприклад, 05кп, 08кп, 10, 15, …35, 40, …85.

Сталі марок 05, 08, 10 після відпалювання добре штампуються в холодному стані. Низьковуглецеві сталі марок 15, 20, 25 належать до тих, що цементуються. Середньовуглецеві сталі 30, 35, 40, 45 і 50 належать до сталей, що поліпшуються. З таких сталей виготовляють вали, шатуни, шестерні та інші деталі. Високовуглецеві сталі марок 60, 65, 70, 75, 80 і 85 використовують для пружин, ресор, тросів. Із сталі 60 виготовляють суцільнокатані колеса, валки прокатних станів.

Автоматні сталі (ГОСТ 1414-75) мають підвищену оброблюваність різанням, що забезпечується підвищеним вмістом сірки (до 0,25%) і фосфору (до 0,15%). Маркують літерою ”А” і числом, яке вказує середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка: А12, А20, А30 і А35. Оброблюваність різанням поліпшується також введенням у вуглецеву сталь свинцю у кількості 0,15…0,30%. При маркуванні таких сталей після літери “А” ставлять літеру “С”: АС14, АС40.

Автоматні сталі мають понижені механічні властивості, тому їх використовують тільки для малонавантажених деталей.

Ливарні сталі (ГОСТ 977-88)маркують числом, що вказує вміст вуглецю в сотих частках відсотка, та літерою “Л” в кінці марки, наприклад 15Л, 20Л, 25Л тощо. Ливарні сталі використовують для деталей арматури, великих шестерень, валків та інших деталей.

Інструментальні вуглецеві сталі за якістю поділяються на якісні та високоякісні. Відповідно до ГОСТ 1435-74 якісні інструментальні сталі маркують літерою “У” і числом, що вказує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка: У7, У8, У9,…, У13. У марках високоякісних інструментальних сталей в кінці марки ставлять літеру “А”, наприклад, У7А, У8А… У13А.

Інструментальні сталі з відносно низьким вмістом вуглецю (У7, У8) мають високу в’язкість і використовуються для виготовлення зубил, молотків, кернерів, викруток, штампів тощо. Заевтектоїдні сталі (У9…У13) застосовують для інструментів, що потребують високої твердості та не дуже високої в’язкості: мітчиків, свердл, напилків, ножівок, вимірювальних інструментів. Недоліками вуглецевих інструментальних сталей є їх незначна прогартовуваність і низька теплостійкість (до 200⁰С).

 

Чавуни

Чавунами називають залізовуглецеві сплави, що містять від 2,14 до 6,67%С, тобто чавуни відрізняються від сталей більш високим вмістом вуглецю і структурою. Тому вони мають інші, порівняно зі сталями, технологічні характеристики – кращі ливарні властивості і низьку здатність до пластичного деформування.

Вуглець у чавунах може бути в двох станах: у хімічно зв’язаному (цементит або інші карбіди) та у вільному (графітні включення).

Чавуни, в яких майже весь вуглець находиться у хімічно зв’язаному стані, називають білими. Таку назву вони отримали за видом злому, який має матово-білий колір. Фазовий склад білих чавунів при нормальній температурі-цементит і ферит. Білі чавуни мають високу твердість (4500…5500НВ) і крихкість, практично не піддаються обробці різальним інструментом. Білі чавуни за хімічним складом (вмістом вуглецю) і за структурою поділяються на доевтектичні, евтектичні та заевтектичні.

Доевтектичні – це чавуни, що містять від 2,14 до 4,3%С, структура яких складається з перліту, ледебуриту і цементиту вторинного. Евтектичний чавун містить 4,3%С і його структура повністю ледебуритна. Заевтектичні чавуни – це чавуни, що містять понад 4,3 до 6,67%С, структурний склад яких ледебурит і цементит первинний. Мікроструктури білих чавунів наведені на рис.5.4.

Рис.5.4. Мікроструктури білих доевтектичного (а), евтектичного (б) і заевтектичного (в) чавунів

Чавуни, в яких вуглець частково або майже повністю находиться у вільному стані у вигляді графітних включень називаються сірими, тому що графіт надає злому цих чавунів сірий колір. Структура сірих чавунів складається з металевої (сталистої) основи, в якій розташовані графітні включення.

Графітні включення можуть мати пластинчасту, пластівчасту і кулясту форми.

Чавуни з пластинчастою формою графіту називають звичайними сірими, з пластівчастою – ковкими, а з кулястою – високоміцними.

Графіт має низьку міцність (s_в=20 МПа) і тому можна рахувати, у першому наближенні, що місця, які він займає - це “пустоти” у металі. Форма цих “пустот”, тобто графітних включень, значно впливає на міцність і пластичність чавуну. Пластинчаста форма в найбільшій ступені послаблює металеву основу, виступаючи концентратором напруги, особливо при розтягуванні. Куляста форма є найбільш привабливою, тому, що такі включення графіту в меншій ступені знижують міцність і пластичність металевої основи. Тому чавуни з кулястим графітом, які мають значно вищу міцність, ніж чавуни з пластинчастим графітом, отримали назву високоміцних.

Присутність графіту у структурі чавунів надає їм низку переваг у порівнянні зі сталлю:

1) краща оброблюваність різанням;

2) більш високі антифрикційні властивості;

3) здатність швидко гасити вібрацію і коливання;

4) нечутливість до поверхневих дефектів.

Сірі, високоміцні та ковкі чавуни за структурою металевої основи поділяються на феритні, феритно-перлітні та перлітні. Структура феритних чавунів складається з фериту і графіту, феритно-перлітних – з фериту, перліту і графіту, перлітних – з перліту і графіту (рис.5.5).

Структура металевої основи має значний вплив на властивості чавуну. Феритні чавуни мають найменшу міцність, твердість, найбільш високу пластичність і, навпаки, перлітні – найбільшу міцність, твердість, найменшу пластичність.

 

Рис.5.5. Класифікація чавунів за структурою металевої основи та за формою графітних включень

У промисловості застосовуються також чавуни, в яких є структурні ознаки як сірих, так і білих чавунів. Такі чавуни називаються половинчастими. У цих чавунах частина вуглецю (>0,8%) перебуває у зв’язному стані, а решта – у вигляді графіту. Тому в структурі половинчастих чавунів, поряд зі вторинним цементитом або цементитом ледебуриту, є графіт, тобто їх структура може складатися із П+Ц_ІІ+Г або П+Л+Г.