Стали: классификация и назначение

Пружинные стали и сплавы (ГОСТ 14959—79) — среднеуглеродистые (0,6...0,8% С), низколегированные (Mn, Si, Cr, Ni и др.) стали, обладающие высокими механическими свойствами, в первую очередь высокими пределами упругости и прочности, а также повышенной релаксационной стойкостью при достаточной вязкости и пластичности. Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5% С и быть способными к термической обработке — закалке и отпуску. Пружинные стали (65Г, 70, 75; 50ХА, 55ХГР, 55С2, 60С2, 50ХФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА) в основном используются для изготовления пружин и рессор.

Кроме рассмотренных  выше пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяются пружинные стали специального назначения, к которым помимо требования высоких механических свойств могут предъявляться дополнительные требования по физико-химическим свойствам: немагнитности, коррозионной стойкости, низкому или постоянному температурному коэффициенту модуля упругости и др.

Автоматные  стали (ГОСТ 1414-75) содержат 0,08...0,45% С и повышенное содержание серы (0,05...0,3%), фосфора (0,05...0,16%) и часто марганца (0,6,..1,55%). Обогащение границ зерен феррита растворенным в нем фосфором и образование на них хрупких включений (MnS и др.) облегчают резание, способствуют дроблению и легкому отделению стружки, обеспечивая чистоту обрабатываемой поверхности. Срок службы режущего инструмента при обработке автоматных сталей увеличивается. Улучшение обрабатываемости стали достигается также микролегированием свинцом, селеном, кальцием. Однако введение этих элементов снижает прочностные характеристики сталей, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств.

Автоматные стали получили свое наименование в связи с их обработкой на станках-автоматах с повышенной скоростью резания, предназначенных для изготовления деталей массового спроса (шайб, болтов, гаек, шпилек и некоторых других деталей автомобилестроения). В обозначении марки первая буква А указывает, что сталь автоматная; цифры в ней показывают содержание углерода в сотых долях процента (например, АН, А40Г). Присутствие свинца обозначается буквой С (например, АС35Г2), кальция — буквой Ц (АЦ45Х, АЦ40Г2 и др.), селена — буквой Е (А35Е, А40ХЕ и др.).

Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 80—78) по химическому составу должны быть высокоуглеродистыми (0,95...1,05% С), низколегированными (Cr, Si, Mn и др.). Жесткие требования (ГОСТ 801-78 и ГОСТ 21022—75) предъявляются к чистоте по неметаллическим включениям, карбидной сетке, карбидной ликвации, рыхлости и пористости металла. Микроструктура стали в рабочем состоянии — мелкоигольчатый (скрытокристаллический) мартенсит с равномерно распределенными округлыми включениями карбидов. Основные потребительские свойства этих сталей — повышенные твердость (61...65 HRC), износостойкость и сопротивление контактной усталости.

Шарикоподшипниковые хромистые  стали обозначаются буквами ШХ в  начале марки; содержание хрома в  этих сталях указывается в десятых долях процента после буквенного обозначения (ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и др.). В конце марки может быть указан вид металлургического переплава: III — электрошлаковый (ШХ15П1); БД — вакуумно-дуговой (ШХ15ВД).

Литейные стали содержат до 0,9% Мn, до 0,52% Si и не более 0,06% S и 0,08% Р. При затвердении отливок формируются крупные зерна аустенита, внутри которых при последующем охлаждении в сталях с содержанием углерода менее 0,4% образуются направленные пластины избыточного феррита (видманштеттова структура). С увеличением содержания углерода доля феррита, образующего видманштеттову структуру уменьшается, а доля феррита в виде равноосных зерен возрастает. Литая сталь с видманштеттовой структурой имеет низкие пластичность и ударную вязкость, и для повышения величин этих свойств отливки из сталей, содержащих менее 0,4% С, подвергают полному отжигу или нормализации.

Литейные свойства сталей значительно хуже, чем чугунов  и большинства литейных цветных сплавов. Трудности при литье создают высокая температура плавления, низкая жидкотекучесть, большая линейная усадка (до 2,3%) и склонность к образованию горячих литейных трещин.

Низкоуглеродистые литейные стали применяют для изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам; арматуры; деталей сварно-литых конструкций. Сред неуглеродистые литейные стали  применяют для отливки станин и валков прокатных станов, крупных шестерен, зубчатых колес. Стальные отливки часто подвергают термической обработке для уменьшения литейных напряжений.

Литейные легированные стали по свойствам уступают углеродистым сталям из-за того, что при легировании расширяется интервал кристаллизации и уменьшается теплопроводность и, следовательно, возрастают термические напряжения. Литейные легированные стали подразделяют на конструкционные (ГОСТ 977—88) и высоколегированные со специальными свойствами.

Многие литейные стали  имеют ту же марку, что и деформируемые, отличаясь лишь буквой Л в конце  марки (15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л и 35ХМЛ, 35ХГСЛ, 12Х18Н9ТЛ и др.). В этом случае химический состав литейной стали практически такой же, как деформируемой, и различается лишь допустимое количество вредных примесей (в литейной стали оно несколько больше). Однако немало легированных сталей разработано специально в качестве литейных и не имеет аналога среди деформируемых (например, сталь 20ФЛ, применяемая для отливки крупногабаритных деталей грузовых вагонов, и сталь 08ГДНФЛ — для изготовления ответственных крупных деталей в судостроении, работающих до 60°С).

1.4. Инструментальные стали и ставы

Инструментальные  стали и сплавы — литые твердые сплавы. Твердые сплавы — материалы с высокими твердостью, прочностью, режущими и другими свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур. Различают литые и спеченные {порошковые) твердые сплавы.

Инструментальные стали  предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких статей изготавливают только рабочую (режущую) часть инструмента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей.

Основными потребительскими требованиями к инструментальным сталям являются высокие твердость, износостойкость  и прочность при хорошей (500...800°С) теплостойкости. Кроме эксплуатационных свойств для инструментальных сталей большое значение имеют технологические свойства: прокаливаемость, малые объемные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резанием, шлифуемость.

Необходимые свойства инструментальным сталям придают карбидные фазы, так как именно их присутствие обусловливает высокие прочностные показатели и твердость (рис. 1).

Рис. 1. Влияние содержания хрома и типа карбидов в хромистых сталях на

твердость ИВ и износостойкость при трении по абразиву.

Штриховые линии  — сплавы, содержащие 0,4% С; сплошные линии — сплавы, содержащие 1% С; 1 - Fe₃C; 2 - Сr₇С₃ ; 3 - Сr₂₃С₆

Для обеспечения необходимых  свойств применяют специальное  легирование и термическую обработку. Так, обеспечение теплостойкости достигается легированием сталей вольфрамом, молибденом, ванадием, а легирование хромом и марганцем повышает их прокаливаемость. Термическая обработка инструментальных сталей, как правило, включает закалку и низкий отпуск. Режимы термической обработки в зависимости от химического состава сталей и требований к их твердости и прочности установлены ГОСТ 5950—73 и 19265-73.

Инструментальные стали  классифицируются (ГОСТ 1435—90 и 5950—73) по основному потребительскому свойству на стали высокой твердости, повышенной вязкости и теплостойкие. Стали высокой твердости и повышенной вязкости используются как нетеплостойкие.

Инструментальные стали  высокой твердости по химическому  составу могут быть высокоуглеродистыми (0,68...1,35% С) и низколегированными (Mn, Si, Cr и др.). Структура этих сталей после термообработки — мартенсит и перлит. Температуры эксплуатации изделий из таких сталей — до 190...225°С, при этом их твердость равна 60...68 HRC.

Инструментальные стали  высокой твердости (У10...У13, У10А...У13А, 13Х, ХВСГ, 9ХФ, 7ХГ2ВМ и др.) делят по прокаливаемое™ на стали небольшой, повышенной и высокой прокливаемости. Величина прокаливаемости определяет размер изделия. Так, инструментальные стали небольшой прокаливаемости используют для изготовления тонкого инструмента диаметром менее 12... 15 мм, а стали высокой прокаливаемости— для массивного инструмента и инструмента сложной формы.

Стали повышенной вязкости по химическому составу являются средне-углеродистыми (0,60...0,74% С) и среднелегированными (Mn, Si, Cr и др.). Температура эксплуатации изделий из этих сталей, как правило, менее 200°С, а их твердость — 62 HRC. Стали повышенной вязкости (У7, У7А, 7ХФ, 6ХС) используются для изготовления инструментов для обработки древесины (пилы, ножи и др.).

Инструментальные теплостойкие стали по температуре эксплуатации в свою очередь делят на стали собственно теплостойкие (500...800°С) и полутеплостойкие (до 500°С). По химическому составу эти стали являются углеродистыми (0,22...1,65% С), высоколегированными (Mn, Si, Cr, W, Mo и др.).

Теплостойкие стали  высокой твердости объединяют в группу так называемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265—73. Буква Р в марке обозначает «режущие». После буквы Р следует цифра, указывающая среднее содержание в процентах вольфрама — главного легирующего элемента этих сталей (буква В — его условное обозначение — пропускается); затем, как и в остальных сталях, буквами обозначаются другие легирующие элементы с цифрами, указывающими их содержание в процентах, если это содержание больше 1...2%. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0,8... 1,25%), хром (около 4%) и ванадий (1...2%), содержание которых в марке не указывается.

Фазовый состав быстрорежущих  сталей в отожженном состоянии представлен  легированным ферритом и карбидами  М₆С, М₂₃С₆, МС, М₃С. Основным карбидом является М₆С. Количество карбидной фазы в стали Р18 достигает 25...30%, а в стали Р6М5 — 22%.

Обработка быстрорежущих  сталей включает горячую ковку литых  заготовок, отжиг, закалку и многократный (чаще трехкратный) отпуск. Структура после закалки — мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение. Это сопровождается увеличением твердости до HRC 64 (вторичная твердость) за счет выделения частиц цементита. Для улучшения режущих свойств и повышения износостойкости некоторые виды инструментов подвергают низкотемпературному (540...570°С) цианированию, в результате которого на поверхности стали образуется тонкий слой высокой твердости (1000...1100 HV).

Полутеплостойкие (Х12М. 5ХНМ) и теплостойкие (Р12, Р6М5, Р18; Р12ФЗ, Р13Ф4К5, Р9М4К8; В11М7К23, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 45ХЗВЗМФС, 2X8BSM2K8) стали используются для изготовления режущих инструментов (например, фрезы, сверла), штампов, пуансонов. Для инструментальных сталей при температуре эксплуатации до 650°С твердость должна быть 60...62 HRC, а для штамповых при температуре до 700°С — 45...52 HRC.

Инструментальные стали, используемые для изготовления измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов), помимо твердости и износостойкости должны обеспечивать постоянство размеров этих инструментов и хорошо шлифоваться. Обычно используют стали У8...У12, X, ХВГ, Х12Ф1. Необходимые требования обеспечиваются обработкой холодом до —60°С (нередко многократной) и отпуском при 120...130°С непосредственно после закалки.

Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и  длинные инструменты изготовляют  из листовых сталей 15, 15Х. Для получения  рабочей поверхности с высокими твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

1.5. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

К сталям и сплавам  с особыми физическими свойствами относятся те, работоспособность  которых оценивается не только по механическим, но и по ряду других (теплофизических, магнитных, электрических и др.) свойств требуемого уровня. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами часто называют прецизионными.

Прецизионные  сплавы — металлические сплавы с особыми физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упругими) или редким сочетанием свойств, уровень которых в значительной степени обусловлен точностью химического состава, отсутствием примесей, тщательностью изготовления и обработки.

Диапазон использования  таких сталей и сплавов очень  широкий. Наибольшее распространение имеют стали и сплавы:

•  с заданным температурным коэффициентом расширения;

•  с высоким электросопротивлением (при повышенной жаростойкости);

• магнитные.

Стали и сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ГОСТ 10994—74) предназначены для впаивания изделий на их основе в стеклянные и керамические корпуса вакуумных приборов. Химический состав этих сплавов базируется на системе Fe + Ni + Co с небольшим количеством меди. Точный состав каждого сплава устанавливается для конкретного вида стекла или керамики, используемых в изделиях, из условия равенства их температурных коэффициентов линейного расширения.

Особое место занимают сплавы с малым коэффициентом  линейного расширения, существенно  не меняющимся в высокотемпературной области. Эти сплавы предназначены для изготовления деталей измерительных приборов и технических средств. Промышленное значение имеет сплав инвар на базе железа и никеля (36%) с небольшим количеством углерода (0,05%). Эти сплавы используют для изготовления деталей, впаиваемых в неорганические диэлектрики — стекло, керамику, слюду и др.