Классификация по назначению и маркировка

Легированных сталей

В разделе 2.1.3 отмечалось, что основой классификации углеродистых сталей по назначению (конструкционные и инструментальные) является зависимость их механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3). Эта тенденция сохраняется в общих чертах и для подавляющего большинства, т.е. наиболее дешевых, мало – и среднелегированных сталей (это стали перлитного класса, см. разд. 2.3.1).

Высокоуглеродистые (≥0,7 %С) легированные стали – инструментальные, стали с меньшим содержанием углерода - конструкционные.

Наиболее многочисленные группы конструкционных сталей – это цементуемые (0,10…0,25 %С)и улучшаемые (0,30…0,50 %С).

Цементуемые стали применяются в основном для деталей типа шестерен, которые после цементации (диффузионного насыщения поверхности изделия углеродом), закалки и низкого отпуска приобретают высокую твердость и износостойкость наружного слоя (структуру высокоуглеродистого мартенсита) и сохраняют хорошую вязкость сердцевины, препятствующую хрупкому разрушению зубьев шестерни.

Улучшаемые стали используются для ответственных нагруженных изделий, работающих при динамических нагрузках, которые для получения оптимального сочетания прочности и ударной вязкости подвергают улучшению – закалке и высокому отпуску (см. разд. 2.2.2).

В марках конструкционных сталей число в начале марки указывает содержание углерода в сотых долях процента (как в качественных углеродистых конструкционных сталях). Далее следуют легирующие элементы, которые обозначаются русскими буквами, обычно – первыми в названии элемента. Например, Cr буквой Х, Ni – Н, Ti – Т, V – Ф, Co – К, Mo – М, W – В, но есть и исключения: В – Р, Al – Ю, Si – С, Mn – Г; буква А в конце марки означает сталь высокого качества (в таких сталях ограничено количество вредных примесей S и Р ≤ 0,025 % каждого из этих элементов).

Цифры после каждой буквы указывают содержание данного элемента в процентах, если цифра отсутствует, то среднее количество этого элемента – 1 %. Например, в стали 18Х2Н4МА – в среднем 0,18 % С; 2 % Cr, 4 % Ni, 1% Мо, ≤ 0,025 % S и ≤ 0,025 % Р.

В таблице 2.3.1 для примера приведены химический состав, механические свойства и критический диаметр D_кр (соответствует максимальному рабочему сечению детали) некоторых цементуемых и улучшаемых конструкционных сталей (ГОСТ4543–71). Механические свойства цементуемых сталей даны после закалки и низкого отпуска, улучшаемых – после закалки и высокого отпуска (т.е. в улучшенном состоянии).

Помимо цементуемых и улучшаемых к конструкционным принадлежат также:

1) строительные (низколегированные) стали, содержащие до 0,2 %С и небольшое количество недорогих легирующих элементов (обычно до 2...3 %Мn и Si), 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 17ГС и др. Они используются в машиностроении, строительстве, магистральных газо – и нефтепроводах и т. п.; обладают хорошей свариваемостью, малой склонностью к хрупким разрушениям, хладостойкостью. Изделия из этих сталей обычно не подвергаются термической обработке.

2) рессорно-пружинные стали содержат 0,5…0,7 %С и небольшое количество легирующих элементов (Mn, Si, V); например, 50С2, 60СГ, 60С2ХФА, 70С3А и др. После закалки и среднего отпуска (на структуру троостит отпуска) приобретают высокий предел упругости и предел текучести σ_0,2 до

1200…1700 МПа; применяются в транспортном и станкостроении для рессор, пружин, различных упругих элементов.

3) подшипниковые стали содержат 0,95…1,05 %С, 0,4…1,7 %Cr, 1,7 %Mn, 0,85 %Si; например, ШХ6, ШХ15, ШХ15ГС и др. Буква Ш обозначает шарикоподшипниковую сталь, цифры – содержание Cr в десятых долях процента.

После закалки и низкого отпуска эти стали имеют структуру мартенсита с включениями мелких вторичных карбидов, обладают высокой твердостью (62…64 HRC_э) и износостойкостью; применяются для деталей подшипников качения.

Основная цель легирования этих сталей – повышение прокаливаемости (см. разд. 2.3.2). Чем больше легирующих элементов, тем больше критический

Таблица 2.3.1

Химический состав, механические свойства и критический диаметр

некоторых конструкционных легированных сталей

Марка стали	Содержание элементов, %	Механические свойства	Dкр, мм
С	Mn	Cr	Ni	Другие элементы	σ0,2, МПа	σв, МПа	δ, %	Ψ, %	ΚСU, МДж/м^2
ЦЕМЕНТУЕМЫЕ
18ХГТ	0,17-0,23	0,8-1,1	1,0-1,3	-	0,03-0,09 Ti					0,8
20ХГР	0,18-0,24	0,7-1,0	0,75-1,05	-	-					0,8	40-60
25ХГМ	0,23-0,29	0,9-1,2	0,9-1,2	-	0,2-0,3 Mo					0,8	60-80
12Х2Н4А	0,09-0,15	0,3-0,6	1,25-1,65	3,25-3,65	-					0,9	100-120
18Х2Н4МА	0,14-0,20	0,25-0,55	1,35-1,65	4,0-4,4	0,3-0,4 Mo					1,0	≥ 120
УЛУЧШАЕМЫЕ
40Х	0,36-0,44	0,5-0,8	0,8-1,1	-	-					0,6	25-35
30ХГС	0,28-0,35	0,8-1,1	0,8-1,1	-	0,9-1,2 Si					0,4	50-75
40ХН2МА	0,37-0,44	0,5-0,8	0,6-0,9	1,25-1,65	0,15-0,25 Mo					0,8	75-100
38ХН3МФА	0,33-0,4	0,25-0,5	1,2-1,5	3,0-3,5	0,35-0,45 Mo 0,1-0,18 V					0,8	≥ 100

диаметр закаливаемых деталей, тем более крупный подшипник может быть изготовлен из данной стали.

Помимо рассмотренных выше наиболее распространенных групп сталей к конструкционным относятся также высокопрочные, износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали, а также стали (и железосодержащие сплавы) с особыми физическими свойствами. С этими материалами (многие из них встречаются в контрольных работах) можно ознакомиться в рекомендуемой учебной литературе [1…4, 8].

Теперь – несколько слов о классификации и маркировке инструментальных легированных сталей. Выше уже отмечалось, что к инструментальным углеродистым и легированным сталям относятся в основном стали с большим содержанием углерода (≥ 0,7 %С), поскольку после закалки и низкого отпуска они должны обладать высокой твердостью (60…65 HRC_э) и износостойкостью. Это стали для режущего и измерительного инструмента (ГОСТ 5950–2000) большинство из них содержит небольшое количество легирующих элементов (в сталях повышенной прокаливаемости до ≈ 5 %). Цифры в начале марки этих сталей показывают содержание углерода в десятых долях процента, например, в марках 9ХС, 11ХФ, 13Х – 0,9; 1,1 и 1,3 %С соответственно. Если среднее содержание углерода ≈ 1 %, то цифра в начале марки обычно отсутствует Х, ХВГ, ХВ4.

Наилучшими свойствами в группе сталей для режущего инструмента обладают быстрорежущие стали (ГОСТ 19265–73). В результате сильного легирования карбидосодержащими элементами – (W, Mo, Cr, V) они приобретают высокую теплостойкость – способность сохранять высокую твердость (до 58 HRC_э) и износостойкость при длительном нагреве до ≈ 620 ^оС.

В марках этих сталей (Р18, Р6М3, Р6М5, Р9К5,…) после буквы Р (от англ. rapid – быстрый, скорый) число показывает содержание основного легирующего элемента W в процентах.

В результате сильного легирования в закаленных быстрорежущих сталях остается много (до 30 %) остаточного аустенита, поэтому для его устранения используют обработку холодом или трехкратный отпуск при t ≈ 560 ^оС (см. раздел 2.3.2). Твердость быстрорежущих сталей после такой термообработки 63…65 HRC_э. Инструмент из этих сталей используют для обработки на высоких скоростях резания, а также труднообрабатываемых материалов (например, высоколегированных коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов с аустенитной структурой).

Помимо сталей для режущего и измерительного инструмента по назначению различают штамповые стали для холодного и горячегодеформирования металлов.

Для холодного деформирования в первую очередь требуется высокая твердость инструмента, поэтому используются в основном те же стали, что и для режущего инструмента (ГОСТ 5950-2000) с содержанием углерода ≈ 1 % (Х, ХВСГ, Х6ВФ, Х12М), имеющие твердость 60…63 HRC_э после закалки и низкого отпуска. В тех случаях, когда от инструмента требуется повышенная вязкость (ударные нагрузки) используют стали с меньшим (0,5…0,7 %) содержания углерода (6ХВ2С, 7ХГ2ВМ).

В гораздо более тяжелых условиях работают стали штампов горячей обработки давлением. Их структуры, механические и эксплуатационные свойства не должны изменяться (ухудшаться) при нагревании до 400…600 ^оС. Помимо тепло – и окалиностойкости эти стали должны обладать разгаростойкостью – устойчивостью к образованию поверхностных ("разгарных") трещин, стимулируемых многократными циклами нагрев «охлаждение. Комплекс этих свойств достигается применением сталей с пониженным содержанием углерода (0,3…0,6 %С) – 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС, 5ХНМ, обрабатываемым на структуру троостита или сорбита отпуска (температура отпуска» 500…630 ^оС) и твердость 42…50 HRC_э.

В заключение отметим, что данный раздел 2.3 содержит многочисленные примеры влияния химического состава (легирования) на структуру и свойства сплавов.

Внимание!

Освоив этот раздел [26] (раздел 2.3) и не забыв, конечно, основные положения разделов 2.1 и 2.2, Вы делаете решительную заявку на вступление в «Клуб знатоков металловедения», способных выбирать стали (главные материалы промышленности!) для изделий различного назначения. В этом Вы убедитесь, ответив по традиции на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.3

1. Какие стали называются легированными?

2. Как влияют легирующие элементы на полиморфизм железа? Сравните классификацию углеродистых и легированных сталей по равновесной структуре.

3. На какие классы делятся легированные стали по структуре нормализации? На чем основана эта классификация?

4. Что такое прокаливаемость? Какой характеристикой оценивают ее величину? Каков практический путь повышения прокаливаемости?

5. Какова принципиальная связь между размером (сечением) изделия и выбором марки используемой для него стали?

6. Что такое «остаточный аустенит»? Какова причина его появления?

7. Почему для изделий из легированных сталей часто применяют «обработку холодом», в чем она заключается? Какова ее цель?

8. Перечислите наиболее распространенные группы конструкционных легированных сталей. Каков принцип их маркировки?

9. К какой группе принадлежит сталь 20ХГНР? Приведите ее химический состав и последовательность технологических операций, формирующих окончательную структуру типовых изделий из этой стали.

10. Приведите 2-3 марки улучшаемых сталей, расшифруйте их. Почему их так называют? Для какого типа изделий их обычно применяют? Какова окончательная структура таких изделий?

11. Какую сталь следует выбрать для изготовления нагруженных валов диаметром ≥ 100 мм?

12. Приведите марки и химические составы каких-либо рессорно-пружинных и подшипниковых сталей.

Какую термообработку применяют для соответствующих изделий? Какова окончательная структура этих изделий?

13. Приведите несколько марок и химические составы сталей для режущего и измерительного инструмента. Какая термическая обработка применяется для такого инструмента, какова должна быть его структура?

14. Приведите марку стали для инструмента, используемого при обработке изделий на больших скоростях резания. Каково основное достоинство таких сталей?

15.Приведите по 1-2 марки инструментальных сталей для холодного и горячего деформирования металлов, расшифруйте их. В чем принципиальное отличие химического состава и режимов термической обработки сталей этих двух групп?