Износостойкие стали их марки и назначение

Износостойкие стали

Износостойкие стали и сплавы необходимы для изготовления деталей машин и механизмов, работающих в условиях изнашивания: пары трения, червячные пары, подшипники скольжения, ковши экскаваторов, железнодорожные стрелки, гребные винты судовых моторов и т. п.

Изнашивание — процесс постепенной повреждаемости поверхности детали, которая работает в постоянном или периодическом контакте под нагрузкой с другой деталью (или в контакте с рабочей средой).

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию. Износ выражается в потере веса, в изменении формы, размеров и состояния поверхности детали.

Работоспособность деталей в условиях изнашивания зависит от ряда внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относят трение и такие условия работы, как скорость относительного перемещения, нагрузку, температуру; к внутренним — строение материала.

Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное (ГОСТ 27674—88). Механическое изнашивание имеет ряд разновидностей — абразивное, адгезионное, окислительное, эрозионное, гидроабразивное и др. Все виды механического изнашивания можно, в свою очередь, подразделить на две группы по признаку того объекта, под влиянием которого происходит этот процесс: на изнашивание в парах трения и изнашивание в контакте с рабочей средой.

В деталях, работающих в паре при постоянных контактных нагрузках, в условиях эксплуатации на поверхности возникает трение. В машиностроительных конструкциях и механизмах в условиях трения работают многочисленные детали: втулки, кулачки, червяки, пальцы поршней, фрикционные диски и др.

Для изготовления пар трения применяют стали, подвергнутые поверхностному упрочнению — XTO (цементации, нитроцементации, азотированию), и после закалки ТВЧ.

Цементуемые стали подразделяют по степени упрочнения сердцевины. При одной и той же твердости цементованного слоя работоспособность деталей повышается по мере увеличения твердости сердцевины.

В первую группу включают низкоуглеродистые стали марок сталь 10, сталь 15, сталь 20: после цементации твердость поверхности составляет 55. 63 HRC, а сердцевина ввиду низкой прока-ливаемости имеет ферритно-перлитную структуру и является мягкой (250. 350 HB). Вследствие этого углеродистые стали применяют для малоответственных деталей, таких как втулки, кулачки, звездочки и др.

Ко второй группе относят низкоуглеродистые низколегированные стали — хромистые и марганцовистые (15Х, 20Х, 10Г, 20Г). После цементации, закалки и низкого отпуска твердость их поверхности составляет 55. 63 HRC, а сердцевина представляет собой мартенсит отпуска. Стали этой группы имеют нормальную прочность (ов = 700. 800 МПа). Их применяют для производства таких деталей, как пальцы, толкатели, диски, шестерни, поршневые пальцы, фрикционные диски, кулачковые валы, плунжеры и др.

Для ответственных крупногабаритных деталей применяют цементуемые комплексно-легированные низкоуглеродистые стали (12ХН3А, 20ХГНР и др.), отличающиеся хорошей пластичностью и ударной вязкостью. При усложнении легирования в сталях повышается временное сопротивление при растяжении, увеличивается критический диаметр, т. е. увеличивается прокаливаемость (табл. 14.10).

Для производства деталей, контактирующих при эксплуатации с рабочей средой, существуют весьма разнообразные материалы: выбор их зависит от типа этих сред. Например, материалы, устойчивые к абразивному изнашиванию, необходимы для изготовления таких деталей, которые при эксплуатации контактируют с грунтом, твердой породой: буровой инструмент, шнеки, бункера, детали рудомелющих агрегатов, детали засыпных агрегатов доменных печей и др.

Материалами, стойкими к абразивному изнашиванию, являются высокоуглеродистые заэвтектоидные стали (1,0. 1,2 % С) и карбидные сплавы.

Карбидные сплавы принадлежат к системе легирования Fe + 4%C + Cr + W + Ti + (Mn, Ni). Детали из них изготовляют литыми или в виде наплавок на изделие электродуговой сваркой. Термообработку к деталям из этих сплавов не применяют. Фазовый состав карбидных сплавов включает мартенсит, 10. 50 % карбидов крупных (микронных и миллиметровых) размеров, а также в некоторых сплавах аустенит. Количество аустенита регулируют введением никеля и марганца. Карбиды в этих сплавах являются высокомодульными соединениями Сr7С3, VC, TiC, WC. Твердость сплавов 61. 63 HRC.

В марках данных сплавов (95Х7Г5С, 250X38, 350Х15Г3Р1, 370Х7Г7С), а также заэвтектоидных сталей указывают процентное содержание углерода, увеличенное в 100 раз (табл. 14.11).

Для работы в условиях абразивного изнашивания могут применять так называемые твердые сплавы, которые представляют собой порошковый спеченный материал, содержащий высокотвердые карбиды: основным является карбид вольфрама (80. 97 %), а в качестве связующего используют кобальт (3. 12 %).

Маркировка твердых сплавов включает буквы, обозначающие тип карбида и кобальта (для содержащих карбид вольфрама) либо количество других карбидов и количество кобальта. Карбид вольфрама WC обозначают буквой В, карбид титана TiC — буквой Т; две буквы TT означают, что сплав содержит одновременно карбиды титана TiC и тантала TaC. Примеры маркировки и химического состава некоторых твердых сплавов приведены ниже:

Твердые сплавы отличаются высокой износостойкостью. Их применяют в горнодобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности, а также широко используют как инструментальный материал для изготовления режущего инструмента, узлов штампов, волочильных агрегатов и др.

Материалы, стойкие к ударно-абразивному изнашиванию, необходимы для производства деталей, работающих в условиях одновременного воздействия ударных нагрузок и трения абразивными частицами (грунт). Такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, зубьев ковшей экскаваторов, кулаков мощных камнедробилок, крестовин железнодорожных рельсов.

Материал этих деталей должен иметь как высокую твердость поверхности для сопротивления износу в контакте с грунтом, так и вязкую сердцевину для сопротивления ударным нагрузкам. В максимальной степени таким требованиям удовлетворяет сталь Гатфильда — высоколегированная сталь системы Fe — С — Mn. Это сталь аустенитного класса: в твердом состоянии она имеет структуру аустенита, не изменяемую при термической обработке.

Износостойкость и стойкость к ударному нагружению эта сталь приобретает не в результате термообработки, а в процессе эксплуатации.

Основное свойство стали Гатфильда заключается в том, что марганцевый аустенит интенсивно упрочняется (наклепывается) под действием холодной пластической деформации, особенно сильно — при ударных нагрузках. В этих условиях твердость приповерхностных слоев детали из стали 110Г13Л возрастает примерно втрое вследствие наклепа, а сердцевина детали остается вязкой, что связано с пластичностью ГЦК-решетки аустенита. Благодаря такой макроструктуре детали обеспечивается стойкость и к абразивному изнашиванию (поверхность), и к ударным нагрузкам (сердцевина).

Сталь марки 110Г13Л содержит 0,9. 1,4 % С, 11,5. 14 % Mn, а также Si, Ni, Cu, Cr (

Износостойкая сталь

К износостойким сталям относятся сплавы, предназначенные для использования в экстремальных условиях. Благодаря особому химическому составу, они выдерживают серьезный абразивный износ, исключительные механические и сжимающие нагрузки, воздействие скольжения, трения. На рынке высокопрочных сталей представлено множество производителей и видов проката, разобраться в которых бывает сложно даже профессионалам. Из данной статьи вы узнаете, как правильно выбрать износостойкую сталь, и почему в разных отраслях промышленности просто необходимо использование качественных износостойких сплавов.

Характеристики износостойких сталей

Главное свойство износостойких сталей – повышенная твердость, которая обеспечивается присутствием в составе марганца и других легирующих элементов. Причем чем сильнее нагрузка на элемент, тем более износостойкой и твердой становится деталь, а разрушения поверхности и внутренней структуры не происходит.
При высоких показателях прочности материал остается пластичным, не крошится, поддается сварке. При выборе высокопрочного сплава важно учитывать условия и интенсивность эксплуатации детали или узла. У проката, прошедшего закалку, повышается устойчивость ко всем разновидностям износа.

Характеристики износостойких сталей

Сферы применения износостойких сплавов

Использование высокопрочных сталей увеличивает срок эксплуатации оборудования, машин и механизмов, значительно снижает затраты на их ремонт и обслуживание, устраняет простои на производстве. Металлопрокат используется в самых разных отраслях.

Автомобилестроение
Производство деталей и узлов, подверженных интенсивным нагрузкам и работающих в условиях трения – ролики и шарики подшипников, втулки, сменные накладки, поршневые кольца, коленчатые валы и другие фасонные изделия, бронированные элементы.
Дорожная и строительная техника
Изготовление экскаваторных ковшей, режущих кромок техники, козырьков землечерпалок, гидравлических молотов, элементов разравнивателя для асфальтоукладочной машины. В качестве футеровки желобов оборудования, дробилок, контейнеров, лопастей барабана, бетономешалок.
Тяжелая карьерная и горнодобывающая техника
Изготовление режущих кромок оборудования, кузовов для самосвалов, транспортировочных емкостей и желобов, бункеров, футеровка накопителей и других элементов дробилок, режущий инструмент.
Железнодорожная отрасль
Облицовка вагонов, в качестве элементов железнодорожных полотен, звеньев гусеничных механизмов, крестовин и т. д.
Сельхозтехника и оборудование для лесозаготовки
Концевые механизмы лесопогрузчика, перегружателя, элементы отжимного пресса, плужного оборудования, оборудования для транспортировки и хранения силоса.
Станкостроение
В качестве элементов производственного оборудования, подвергающегося серьезным нагрузкам и трению: валы, узлы, агрегаты, детали.
Строительная отрасль
Изготовление металлоконструкций различного назначения, предполагающих особую прочность строения. Для этих целей используются конструкционные марки.

Виды и марки износостойких сталей

При изучении классификации и выборе износостойких сплавов необходимо учесть, что ряд марок отечественных производителей обозначают индексами, а в зарубежных маркировках нет информации по химическому составу.

Графитизированные марки (У16 (ЭИ336), 60Г, 65Г, 70Г, 40Х, 40ХН, 45ХН и др.) — отличаются высоким содержанием углерода, в состав также входит хром, никель, графит. Прокат упрочняется при динамической нагрузке, плохо поддается обработке.

Шарикоподшипниковые сплавы ГОСТ 801-78 (ШХ20, ШХ15) – относятся к виду инструментальных сталей и обладают высокой прочностью и износостойкостью, твердостью и необходимым уровнем вязкости.

Высокомарганцовистые марки (Г13Л, 110Г13Л) – в состав кроме марганца входят также железо, углерод, хром. Обладают самой высокой износостойкостью, которая сочетается с низкой твердостью и высокой прочностью. Согласно отечественной стандартизации, сплавы соответствуют ГОСТ 977-88.

Как можно убедиться, высокое качество и надежность высокопрочных сталей делают их использование обоснованным во многих отраслях промышленности и машиностроения. Эти сплавы прочно завоевали позиции на рынке металлопроката и пользуются большой популярностью.

Классификация стали

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

Классификация сталей и сплавов производится:

· по химическому составу

· по структурному составу

· по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей

· по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице

По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

· малоуглеродистые — менее 0,3% С;

· среднеуглеродистые — 0,3-0,7% С;

· высокоуглеродистые — более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, Al, B, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

· низколегированные — менее 2,5%;

· высоколегированные — более 10%.

Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

· в отожженном состоянии — доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;

· в нормализованном состоянии — перлитный, мартенситный и аустенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному — с более высоким и к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов.

По качеству, то есть по способу производства и содержанию вредных примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы:

Группа	S, %	P,%
Обыкновенного качества (рядовые)	менее 0,06%	менее 0,07
Качественные	менее 0,04%	менее 0,035
Высококачественные	менее 0,025%	менее 0,025
Особовысококачественные	менее 0,015%	менее 0,025

Стали обыкновенного качества
Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Стбкп.
Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.
Стали качественные

Cтепень раскисления и характер затвердевания металла в изложнице

Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложницеделятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.
Стали высококачественные
Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные — в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.
Стали особовысококачественные
Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали
Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.

Строительные стали
К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям — их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.

Стали для холодной штамповки
Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.

Цементируемые стали
Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).

Улучшаемые стали
К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению — термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали
Высокопрочные стали — это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях — таких, как 30ХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ.

Пружинные стали
Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости — кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Подшипниковые стали
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Автоматные стали
Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.), обрабатываемых на станках-автоматах. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой. Недостаток автоматных сталей — пониженная пластичность. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ.

Износостойкие стали
Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.). Пример износостойкой стали — высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали — легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях — нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость.
Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть:
ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20X17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 — для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);
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 молочной кислотах.
Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.
— Коррозионно-стойкие стали
Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.
— Жаропрочные стали
Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Co и др.). 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, йодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):
при 400-550°С — 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;
при 500-600°С — 15Х5М, 40Х10С2М, 20X13;
при 600-650’С — 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР,ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.
— Жаростойкие стали
Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как 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% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Сг до +1300°С. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.
— Криогенные стали
Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Сг, Ni, 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 уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Инструментальные стали
Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповыестали.

— Стали для режущих инструментов
Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.
— Углеродистые инструментальные стали
Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок У7, У7А, У13, У13А. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.
— Легированные инструментальные стали
В данную группу сталей входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость — до +300°С. Наиболее широко используют стали 9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС (фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).
— Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью — до +650вС. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, Р10К5Ф5.

— Стали для измерительных инструментов
Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8. У12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Классификация сталей по назначению. Классификация и маркировка стали

Сталью именуется ковкий, деформируемый сплав железа, некоторого количества углерода (не более 2,14 %), а также незначительного количества других элементов. Именно этот материал широко применяется для изготовления самых разнообразных приборов, инструментов и строительных конструкций. Классификация и применение сталей зависят от многих факторов, которые необходимо разобрать подробнее. Изменяя химический состав этого материала за счет концентрации углерода и привнесения легирующих элементов, можно получать широкий диапазон сталей с абсолютно различными свойствами, что позволяет использовать этот материал во всех отраслях хозяйствования.

Сталь: классификация, применение, маркировка

Прежде всего стоит сказать, что сталь бывает углеродистая и легированная. Это зависит от того, были ли добавлены в сплав специальные легирующие элементы — алюминий, никель, хром, молибден, титан, бор, ванадий, марганец и другие. Все эти добавки применяются для повышения специфических свойств стали, а наилучший результат достигается комплексным легированием.

В общем случае стали классифицируют:

по назначению;
по качеству;
по способу производства;
по микроструктуре;
по химическому составу.

Химический состав

Как уже было сказано, классификация сталей в зависимости от химсостава разделяет этот материал на две большие группы:

легированные;
углеродистые.

В свою очередь, каждую из этих групп можно дополнительно разделить на несколько частей. Классификация легированных сталей подразумевает наличие таких видов:

низколегированные содержат незначительное количество (до 2,5 %) легирующих добавок;
среднелегированные — количество дополнительных элементов не превышает 10 %;
высоколегированные характеризуются наличием легирующих элементов в количестве более 10 %.

Можно также разделить и вторую группу. Классификация углеродистых сталей выглядит так:

высокоуглеродистые характеризуются содержанием углерода более 0,6 %;
среднеуглеродистые содержат от 0,25 до 0,6 % углерода;
малоуглеродистые — до 0,25 %.

Микроструктура

В нормализованном состоянии стали бывают:

перлитные — характеризуются низким содержанием элементов легирования и имеют после нормализации структуру: перлит, перлит + феррит, перлит + заэвтектоидный карбид;
мартенситные — имеют пониженную критическую скорость закалки и достаточно высокое содержание легирующих элементов;
аустенитные — повышенное содержание легирующих элементов, под влиянием которых достигается структура: аустенит, аустенит + карбид.

Классификация углеродистых сталей в отожженном состоянии:

доэвтектоидная применяется, например, для штампов горячего деформирования;
заэвтектоидная имеет структуру, состоящую из перлита и цементита, обычно используется для изготовления инструмента;
карбидная (ледебуритная) — например, быстрорежущая сталь;
ферритная — нержавеющая, жароупорная, жаропрочная, высокохромистая стали.

Качество и способ производства

Безусловно, качество стали зависит от присутствия в ней вредных примесей в виде серы и фосфора. В зависимости от этого показателя классификация сталей выглядит так:

обычные — серы (S) до 0,06 %, фосфора (P) до 0,07 %;
качественные — серы до 0,04 %, а фосфора до 0,035 %;
высококачественные — те же показатели уменьшены до 0,025 %;
особовысококачественные — менее 0,015 % серы и до 0,025 % фосфора.

Способ изготовления стали предопределяет ее строение, состав и свойства. Так, рядовая сталь (обычная) чаще всего выплавляется в мартене или томасовских и бессемеровских конвертерах, после чего формируется в довольно крупные слитки. Такая сталь имеет повышенное количество неметаллических добавок. Высококачественные стали изготавливают более совершенными методами, например в электропечи, а особовысококачественные дополнительно очищаются от оксидов и сульфидов при помощи ЭШП — электрошлаковой переплавки. Такие стали изготавливаются исключительно легированными.

Раскисление

Также существует классификация сталей в зависимости от степени раскисления, то есть от того, какое количество кислорода было удалено в процессе изготовления. Исходя из этого параметра, стали бывают:

кипящие — мало раскисленные, насыщенные кислородом;
спокойные — совершенно раскисленные;
полуспокойные — стали, в которых кислород удален частично.

Для раскисления малоуглеродистых сталей применяют алюминий, марганец и кремний. Кипящую сталь обычно раскисляют при помощи ферромарганца в полуспокойную, кроме этого, добавляют небольшое количество ферросилиция, а спокойную, кроме предыдущих компонентов, обрабатывают алюминием и силикомарганцем.

Что означает маркировка стали?

Как ни странно, но классификация марок стали довольно разнообразна, и единой мировой системы не существует. В ряде стран, в том числе и в России, принята буквенно-численная маркировка.

Качественные углеродистые стали обозначаются двузначным числом, которое указывает на количественное содержание углерода (в сотых %). Углеродистые стали маркируются литерой «У» и числом, выражающим количество углерода (в десятых %) — У9, У12 и т. д.

Буквы используются также и для обозначения основного элемента легирования, например: «П» — фосфор, «А» — азот, «T» — титан, «Б» — ниобий, «Г» — марганец, «Ю» — алюминий, «Д» — медь, «M» — молибден, «P» — бор, «К» — кобальт, «В» — вольфрам, «E» — селен, «H» — никель, «С» — кремний, «X» — хром, «Ц» — цирконий. Цифра, стоящая за буквой, характеризует количество соответствующего элемента, а та, что находится в самом начале, указывает на содержание углерода (в сотых %). Если количество последнего превышает или равно 1 %, то первоначальная цифра может не указываться вовсе.

Литера «А», стоящая в конце марки, указывает на принадлежность ее к высококачественным. Та же буква, находящаяся в середине, сообщает, что сталь легирована азотом. Если же она стоит вначале, то это говорит о том, что перед вами автоматная сталь, обладающая повышенной обрабатываемостью. Особо высококачественная сталь маркируется буквой «Ш», добавленной в конце и написанной через дефис. Марки, не содержащие букв «А» или «Ш», являются качественными.

Также существуют определенные группы сталей, дополнительно маркирующиеся буквами:

«Е» — магнитные;
«Э» — электротехнические;
«Р» — быстрорежущие;
«Ш» — шарикоподшипниковые.

Конечно, существует еще достаточно тонкостей, однако можно сказать, что российская маркировка довольно проста и понятна, в то время как обозначения, принятые в других странах, гораздо сложнее.

Не менее интересна классификация сталей по назначению, поговорим о ней подробнее.

Конструкционные стали

Строительные — низколегированные, а также обычного качества, обладающие хорошей свариваемостью.
Для холодной штамповки — листовой прокат из низкоуглеродистых марок нормального качества.
Цементируемые — малоуглеродистые и некоторые легированные стали, применяемые для изготовления деталей, испытывающих динамические нагрузки и работающих с поверхностным износом.
Улучшаемые подвергаются термообработке (закалке и высокому отпуску). Это среднеуглеродистые, хромовые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые, хромокремниемарганцевые, хромистые стали с бором.
Высокопрочные — стали, у которых при помощи термообработки и особого состава достигнут двойной предел прочности по сравнению с обычными конструкционными аналогами.
Рессорно-пружинные могут длительное время сохранять упругость, достаточное сопротивление усталости и разрушению; к ним относят стали, легированные хромом, бором, кремнием, ванадием и марганцем.
Шарикоподшипниковые характеризуются высокой износоустойчивостью, прочностью и выносливостью, что достигается при помощи высокого (до 1 %) содержания углерода и включения хрома.
Автоматные применяются для производства массовых деталей, обрабатываемых при помощи станков-автоматов (болты, винты, шайбы, гайки и т. д.); для облегчения обработки в такие стали дополнительно вводится сера, свинец, теллур и селен, что приводит к получению ломкой короткой стружки и снижает трение.
Коррозионно-стойкие — высокохромистые стали с содержанием никеля; чем больше в них хрома, тем более выражена стойкость к коррозии, при этом содержание углерода должно быть минимальным.
Износостойкие используются в местах абразивного трения, ударов и высокого давления, например ковш экскаватора либо гусеницы трактора.

Инструментальные стали

Классификация сталей инструментального назначения также может быть представлена несколькими пунктами:

для режущих инструментов применяются углеродистые, легированные и быстрорежущие стали;
для измерительных инструментов материал должен, прежде всего, обладать постоянством размеров, шлифоваться, иметь достаточную твердость и износостойкость; для получения таких характеристик инструментальную сталь часто подвергают закалке и цементизации;
штамповые стали должны обладать достаточной износостойкостью, твердостью, теплостойкостью и прокаливаемостью; эту группу также можно дополнительно разделить на стали для холодной, горячей штамповки и валковые стали.

Стали с особенными химическими и физическими свойствами

Кроме всех вышеперечисленных, существуют также марки сталей с особыми свойствами:

электротехническая сталь — сплав железа и кремния, иногда легированный алюминием; применяется при производстве магнитопроводов разнообразного электротехнического оборудования;
суперинвар — сплав железа, никеля и кобальта, применяемый при изготовлении высокоточного оборудования;
жаростойкая — обладает повышенной стойкостью против разрушения при температурах от 900 °C, легируется алюминием, кремнием, никелем;
жаропрочная — применяется для изготовления деталей газотурбинных установок, такие стали призваны работать в нагруженном состоянии при высокой температуре в течение некоторого времени.

Виды и марки стали

Сталь. Виды и марки стали. Их применение.

Сталь — это сплав железа и углерода с другими элементами, содержание углерода в нём не более 2,14%.

Наиболее общая характеристика — по химическому составу сталь различают:

углеродистую сталь (Fe – железо, C – углерод, Mn – марганец, Si — кремний, S – сера, P – фосфор). По содержанию углерода делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Углеродистая сталь предназначена для статически нагруженного инструмента.

легированную сталь — добавляются легирующие элементы: азот, бор, алюминий, углерод, фосфор, кобальт, кремний, ванадий, медь, молибден, марганец, титан, цирконий, хром, вольфрам, никель, ниобий.

По способу производства и содержанию примесей сталь различается:

сталь обыкновенного качества ( углерода менее 0,6%) — соответствует ГОСТ 14637, ГОСТ 380-94. Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6. Буквы «Ст» обозначают сталь обыкновенного качества, цифры указывают на номер маркировки в зависимости от механических свойств. Является наиболее дешёвой сталью, но уступает по другим качествам.

качественная сталь ( углеродистая или легированная ) — ГОСТ 1577, содержание углерода обозначается в сотых долях % — 08, 10, 25, 40, дополнительно может указываться степень раскисления и характер затвердевания. Качественная углеродистая сталь обладает высокой пластичностью и повышенной свариваемостью.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали характеризуются невысокой прочностью и высокой пластичностью. Из листового проката стали 08, 10, 08кп изготавливают детали для холодной штамповки. Из сталей 15, 20 делают болты, винты, гайки, оси, крюки,шпильки и другие детали неответственного назначения.

Среднеуглеродистые качественные стали (ст 30, 35, 40, 45, 50, 55) используют после нормализации и поверхностной закалки для изготовления таких деталей, которые обладают высокой прочностью и вязкостью сердцевины (оси, винты, втулки и т. д.)

Стали 60 — стали 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругими свойствами. Из них изготавливают крановые колёса, прокатные валки, клапаны компрессоров, пружины, рессоры и т.д.

высококачественная — сложный химический состав с пониженным содержанием фосфора и серы — по ГОСТу 19281.

Также сталь делится по применению :

а) строительная сталь — углеродистая обыкновенного качества. Обладает отличной свариваемостью. Цифра обозначает условный номер состава стали по ГОСТу. Чем больше условный номер, тем больше содержание углерода, тем выше прочность стали и ниже пластичность.

Ст0-3 — для вторичных элементов конструкций и неответственных деталей (настилы, перила, подкладка,шайбы)

Ст3 используют для несущих и ненесущих элементов сварных и несварных конструкций и деталей, которые работают при положительных температурах. ГОСТ 380-88.

Стандартом качества предусмотрена сталь с повышенным количеством марганца (Ст3Гсп/пс, ст5Гсп/пс).

б) конструкционная сталь — ГОСТ 1050

Углеродистые качественные конструкционные стали используются в машиностроении, для сварных, болтовых конструкций, для кровельных работ, для изготовления рельсов, железнодорожных колёс, валов, шестерен и других деталей грузоподъёмников.Ц ифры в маркировке означают содержание углерода в десятых долях процента.

Ст20 — малонагруженные детали, такие как валики, копиры, упоры,

Ст35 — испытывающие небольшие напряжения (оси, тяги, рычаги, диски, траверсы, валы),

Ст45 (ст40Х) — требующие повышенной прочности (валы, муфты, оси, зубчатые рейки)

Конструкционные легированные стали используют для гусениц тракторов, изготовления пружин, рессор, осей, валов, автомобильных деталей, деталей турбин и др.

в) инструментальная сталь — применяется для режущего инструмента, быстрорежущая сталь для холодного и горячего деформирования материла, для измерительных инструментов, на производство молотков, долот, стамесок, резцов, свёрлов, напильников, бритв, рашпилей.

У7, У8А (цифра- десятые доли процента по содержанию углерода). Углеродистые стали выпускают качественными и высококачественными. Буква «А» означает высококачественную углеродистую инструментальную сталь.

г) легированная сталь — универсальная сталь, содержащая специальную примесь. Содержание кремния более 0,5%, марганца более 1%. ГОСТ 19281-89. Если содержание легирующего элемента превышает 1 — 1,5%, то оно указывается цифрой после соответствующей буквы.

низколегированная сталь — где легирующих элементов до 2,5% (09Г2С, 10ХСНД, 18ХГТ). Низколегированную сталь можно использовать в условиях крайнего севера, от -70 град С. Низколегированную сталь отличает большая прочность за счёт более высокого предела текучести,что важно для ответственных конструкций.

среднелегированная (2,5 -10%),

высоколегированная (от 10 до 50%)

Сталь 09Г2С применяется для паровых котлов, аппаратов и ёмкостей, работающих под давлением и температурой от минус 70, до плюс 450град; её используют для ответственных листовых сварных конструкций в химическом и нефтяном машиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД используют для сварных конструкций химического машиностроения, фасонных профилей в сдостроении, вагоностроении.

18ХГТ применяют для деталей, работающих на больших скоростях при высоком давлении и ударных нагрузках.

д) сталь особого назначения — сталь с особыми физическими свойствами. Она применяется в электротехничсеской промышленности и точном судостроении.

На свариваемость стали влияет степень её раскисления. По степени раскисления сталь классифицируется:

спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,

полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,

кипящая сталь (08кп) — неокисленная сталь с высоким содержанием неметаллических примесей. ГОСТ 1577.

В зависимости от нормируемых характеристик , сталь подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5. Категории обозначают химический состав, механические свойства при растяжении, ударную вязкость)

Например, категория 1 — химический состав не нормируемый, категория 3 — нормируется ударная вязкость при температуре +20. Для марки ст0 не нормируется ни химический состав, ни предел текучести.

Износостойкие стали их марки и назначение