Стали: классификация и назначение

Высококачественные стали  имеют отклонения от этих правил. Так, в марках инструментальных легированных сталей, а также сталей и сплавов с особыми физическими свойствами буква А не указывается, поскольку они всегда высококачественные (или особо высококачественные).

Некоторые группы сталей специального назначения содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, быстрорежущих – с буквы Р, магнитно-твердых – с буквы Е, автоматных – с буквы А.

1.3. Конструкционные стали и ставы

Общими потребительскими требованиями к конструкционным сталям являются наличие у них определенного комплекса механических свойств, обеспечивающего длительную работу материала в условиях эксплуатации, и хороших технологических свойств (обрабатываемости давлением, резаньем, закаливаемости и др.). Необходимые технологические и потребительские свойства конструкционных сталей и сплавов в основном обеспечиваются рациональным выбором химического состава, улучшением металлургического качества, соответствующей термической обработкой и поверхностным упрочнением.

Конструкционные стали и сплавы классифицируются по назначению на строительные (арматурные) и машиностроительные, а последние в свою очередь подразделяются на группы общего и специального назначения. С некоторой условностью эти стали также различаются по прочности: стали нормальной прочности, стали повышенной прочности и высокопрочные стали.

Конструкционные строительные стали и сплавы. Свойства этих сталей и сплавов определяются в основном механическими (предел прочности, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость) и технологическими (жидкотекучесть, свариваемость, ковкость и др.) характеристиками. Для конструкционных строительных сталей и сплавов используются углеродистые (0,10….0,20% С) и низколегированные (Si, Mn, Cr и др.) стали (ГОСТ 19281 – 89 и 19282 – 72). Эти стали, как правило, обыкновенного качества и поставляются по механическим свойствам.

Целью легирования этих сталей является повышение закаливаемости и вследствие этого обеспечение более высоких механических свойств (главным образом предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить 15...30% металла. Для того чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей является также их хорошая свариваемость.

В соответствии с ГОСТ 27772—88 конструкционные углеродистые стали подразделяют на несколько  классов по прочности. Маркируют их буквой С и числом, указывающим предел текучести в мегапаскалях: С2135, С285, ... , С590. В конце марки могут стоять буквы К, Т или Д, обозначающие:

К — отличие в химическом составе от стали такого же класса прочности;

Т — упрочнение термообработкой;

Д — введение в сталь 0,15—0,3% Си для повышения сопротивления  атмосферной коррозии.

Конструкционные низколегированные  стали разделяют на стали повышенной прочности и высокопрочные.

Конструкционные строительные стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки. Так, стали 14Г2, 18Г2, 16ГС, 10Г2С1, 14ХГС и 15ХСНД используются для изготовления металлических конструкций, а стали 18Г2С, 25Г2С и 35ГС — для армирования железобетонных конструкций. Конструкционные строительные стали поставляют в виде прутков, профилей, листов и широких полос. Кроме того, из этой стали изготавливают заклепки, болты, гайки, шайбы, винты, гвозди, поковки, а также стальные канаты.

Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения. Основным потребительским требованием к конструкционным машиностроительным сталям и сплавам общего назначения является наличие определенного комплекса механических свойств с их заданным распределением по сечению изделия. Комплекс механических свойств, если не предъявляются какие-либо специальные требования, включает характеристики прочности, пластичности, удельной работы деформации и разрушения (ударной вязкости).

Химический состав этих сталей такой (ГОСТ 1050—88 и 4543—71): мало- и среднеуглеродистые — содержат от 0,05 до 0,65% С, а низко- и среднелегированные — Mn, Si, Cr, Ni и др.

Большинство конструкционных  легированных сталей относятся к  перлитному классу, а в равновесном состоянии — к классу доэвтектоидных. Легирующие элементы определяют преимущественно закаливаемость и прокаливаемость и в меньшей степени — механические свойства (кроме никеля и молибдена, улучшающих вязкость). Наиболее широко применяются марки 30ХГСН2А, 30ХГСН2МА, 25Х2ГНТРА. 30Х2ГСН2ВМ и 40ХН2СМА.

Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения классифицируются по способу упрочнения как стали без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слое и упрочняемые по всему объему.

Рекомендуемыми режимами термической обработки конструкционных  углеродистых качественных статей в  зависимости от условий эксплуатации изделий являются нормализация, закалка с отпуском, поверхностная закалка с отпуском.

Конструкционные машиностроительные стали и сплавы специального назначения. Специальное назначение этих сталей и сплавов определяется требованием к конкретному комплексу механических, физических, физико-химических и технологических свойств, необходимому для эксплуатации изделий в строго определенных условиях, например при очень высоких напряжениях, низких или повышенных температурах, динамических или гидроабразивных нагрузках, для специального назначения в приборах и аппаратах электро-и радиотехнической промышленности.

В зависимости от химического  состава сплавы этой группы подразделяют на классы по основному составляющему элементу:

•  сплавы на железоникелевой основе;

•  сплавы на никелевой основе.

Классификация машиностроительных сталей и сплавов по основному потребительскому свойству имеет следующие группы: особо высокой прочности и вязкости, коррозионностойкие, износостойкие, пружинные, автоматные, шарикоподшипниковые и литейные.

Стали особо  высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареющие) по химическому составу являются безуглеродистыми (менее 0,03% С) и высоколегированными (Ni, Co, Mo, Cr, Ti, Be и др.). Технологические свойства мартенситно-стареюших сталей повышенные: хорошие свариваемость, обрабатываемость резанием и пластичность в закаленном состоянии; незначительная деформация детатей при отпуске, выполняемом после резания и создающем необходимые высокие механические свойства. Мартенситно-стареющим сталям можно придать стойкость против коррозии и теплостойкость. Так, при дополнительном легировании хромом (»12%) эти стати становятся стойкими против коррозии даже в сильно агрессивных средах (морской воде, кислотах и др.).

Мартенситно-стареющие  стали — особо высококачественные и из-за высокой стоимости применяются  для изготовления деталей наиболее ответственного назначения: Н18К9М5 — шестерен, валов, корпусов ракет; Н10Х12Д2Т — деталей химической аппаратуры, пружин; Н4Х12К15М4Т — штампов горячего деформирования, деталей теплоэнергетических установок и др.

Коррозионностойкие  стали и сплавы (ГОСТ 5632—72), в том числе высоколегированные, обладают достаточной стойкостью против коррозии только в ограниченном числе сред. Они обязательно имеют в своем составе более 12,5% Сr, роль которого состоит в образовании на поверхности изделия защитной (пассивной) оксидной пленки, прерывающей контакт с агрессивной средой. При этом лучшей стойкостью против коррозии обладают те стали и сплавы, в которых все содержание хрома приходится на долю твердого раствора. Содержание углерода должно быть небольшим, чтобы уменьшить переход хрома в карбиды, так как это может снизить концентрацию хрома в защитной пленке. Для предотвращения выделений карбидов хрома используют также быстрое охлаждение из области γ-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобием или цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды.

Физико-химические свойства коррозионностойких сталей меняются в  довольно широком диапазоне в  зависимости от структуры. Для наиболее характерных сплавов этого назначения она может быть:

•  ферритно-карбидной  и мартенситной (12X13, 20X13, 20Х17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 — для слабых агрессивных  сред (воздуха, воды, пара));

•  ферритной (15X28) —  для растворов азотной и фосфорной  кислот;

•  аустенитной (12Х18Н10Т) — в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;

• мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) — в фосфорной, уксусной и молочных кислотах. Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот. Коррозионная стойкость сталей может быть повышена термической обработкой (закалкой и высоким отпуском) и созданием шлифованной поверхности.

Коррозионностойкие стали  и сплавы классифицируют в зависимости  от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.

Изделия из собственно коррозионностойких статей (лопатки турбин, клапаны  гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С. Для жаростойких и жаропрочных машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1...0,45% С) и высоколегированные (Si, Сr, Ni, Co и др.).

Жаростойкие стали и сплавы получают на базе системы Fe + Сr + Ni с небольшим количеством кремния. Основным потребительским свойством этих сталей является температура эксплуатации, которая должна быть более 550°С. Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии до 900...1200°С в воздухе, печных газах, в том числе серосодержащих (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглераживаюших (20Х20Н14С2) средах, но могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок.

Жаростойкие стали характеризуют  по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Сr температура эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Сr — 1300°С. Жаростойкость зависит от химического состава стали, а не от ее структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Жаростойкие стали и  сплавы используются для производства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др.

Жаропрочные стали должны обладать высоким сопротивлением химической коррозии, но вместе с тем обеспечивать надежную работу под нагрузкой (т.е. иметь достаточно высокие пределы ползучести и длительной прочности) при температурах эксплуатации выше 400...450°С. Температурный уровень жаропрочности сплавов в первую очередь определяется прочностью межатомной связи, которая может быть оценена рядом физических констант, в том числе температурой плавления. Однако при данной температуре плавления жаропрочность сильно зависит от температуры рекристаллизации. В связи с этим стали аустенитного класса имеют более высокую жаропрочность по сравнению со сталями перлитного класса.

При таких высоких температурах эксплуатации определяющую роль в разрушении играет не дислокационная структура, а диффузионные процессы, имеющие даже при небольших напряжениях направленный характер и способствующие развитию диффузионной ползучести. Так как диффузионные процессы легче всего протекают по границам зерен, имеющих повышенное количество дефектов строения, то кроме химического состава на жаропрочность существенное влияние оказывает структура металла. Обычно добиваются получения легированного твердого раствора с вкраплениями по границам зерен или внутри них дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом снижается пластичность. Чрезвычайно важный фактор — стабильность структуры, так как перемещение атомов ведет к увеличению ползучести.

Жаропрочные стали и  сплавы в своем составе обязательно  содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, иодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочно-земельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах. Механизм этого воздействия при микролегировании основан на рафинировании границ зерна и повышении межкристаллитной прочности. Химический состав и структура этих сталей весьма разнообразны.

Жаропрочные стали и  сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).

Криогенные  машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632—72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Сr, Mi, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от 20 до — 196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого снижения вязкости, характерного при хладноломкости. Например, для криогенных сталей (ОН6А, ОН9А) после соответствующей термической обработки (двойная нормализация и отпуск или закалка в воде и отпуск) характерно при понижении температуры повышение предела ползучести от 400 до 820 МПа. Криогенные машиностроительные стали классифицируются по температуре эксплуатации в диапазоне от —196 до —296°С и используются для изготовления деталей криогенного оборудования.

Износостойкие стали (ГОСТ 5632—72) по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (1,1.. .1.3% С) или малоуглеродистыми и высоколегированными (Si, Mn, Cr, Ni и др.). Основное потребительское свойство этих сталей — высокая стойкость деталей при кавитационной коррозии и механическом изнашивании при значительных ударных нагрузках. Эти стали (12Х18Н9Т, 30Х10Г10, 0Х14АГ12, 0Х14АП2М, ПЗ) применяют чаще в литом или кованом (катанном) состоянии, так как их общее технологическое свойство — пониженная обрабатываемость резанием. Износостойкие стали используются для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, крестовин рельсов, щек дробилок, черпаков землеройных машин, траков и др.