Химический состав и классификация сталей

Химический состав. Сталью называют сплав железа с углеродом (до2 %С). Наряду с железом и углеродом сталь содержит марганец (до 1 %) и кремний (до 0,4 %), а также вредные примеси – серу (до 0,06 %) и фосфор (до 0,07 %). Сталь выплавляют несколькими способами: кислородно-конвертерным, мартеновским, электросталеплавильным, прямым восстановлением железа из обогащенной железом руды (окатышей), а также электрошлаковым, вакуумно-дуговым, плазменно-дуговым переплавом. Кислородно-конвертерный и электросталеплавильный – наиболее производительные способы выплавки стали.

В настоящее время сталь является основным конструкционным материалом. Она сочетает в себе прочность и пластичность с хорошим сопротивлением ударным нагрузкам, может работать при низких и высоких температурах, технологична, из нее можно изготовить изделия практически любой формы. Свойства стали зависят от количества содержащихся в ней углерода и примесей. Основное влияние на свойства стали (особенно механические и технологические) оказывает углерод. С увеличением содержания углерода в стали, как уже отмечалось, повышается ее твердость и прочность, однако уменьшаются пластичность и вязкость, ухудшается свариваемость стали. Прочность стали становится максимальной при 0,9-1,0 % углерода.

Кремний и марганец в небольшом количестве особого влияния на свойства стали не оказывают. Сера и фосфор – вредные примеси. Сера в виде соединения с железом FeS вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах (при ковке, прокатке), увеличивает усталость стали, уменьшает коррозионную стойкость. В то же время сера улучшает обрабатываемость стали режущим инструментом, поэтому на станках-автоматах изготавливают болты, шпильки, гайки из автоматных сталей с увеличенным содержанием серы до 0,2 % и фосфора до 0,15 %. Фосфор придает стали высокую хрупкость при обычных температурах (хладноломкость). Особенно отрицательно влияет фосфор при высоком содержании углерода. Вредными примесями является также кислород, водород, азот, которые не удается полностью удалить при плавке стали.

Классификация сталей. Стали классифицируют по химическому составу, качеству и назначению.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали подразделяют на низкоуглеродистые (менее 0,3 %С), среднеуглеродистые (0,3-0,7 %С) и высокоуглеродистые (более 0,7 %С).

Легированные стали в зависимости от содержания элементов (хрома, марганца, никеля и др.) бывают хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и др. По количеству легирующих элементов их делят на низко - (до 2,5 %), средне – (2,5 – 10 %) и высоколегированные (более 10 %). По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора, водорода, азота и др.) Например, стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07 %Р, , а особовысококачественные – не более 0,015 % S и 0,025 %Р. Высококачественная и особовысококачественная стали обозначаются соответственно буквами А и Ш, помещаемыми после обозначения марки стали.

По назначению (применению) стали подразделяют на конструкционные (для деталей машин и механизмов, приборов, металлоконструкций); инструментальные (для различного типа инструмента и штампов) и стали со специальными свойствами, например коррозионностойкие, окалиностойкие, электротехнические, магнитные и др.

Углеродистые стали

Эти стали используют как сравнительно дешевый конструкционный материал, обеспечивающий достаточно надежную работу машин и оборудования. Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества имеет буквенно-цифровую маркировку:

Ст0, Ст1-Ст6, БСт0, БСт1-БСт6, ВСт2-ВСт5.

Буквы «Ст» означают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки в зависимости от состава и механических свойств, буквы Б и В - группы стали (группа А в марке стали не указывается). Степень раскисления обозначают индексами: КП –кипящая, ПС – полуспокойная, СП – спокойная, например: БСт2кп, ВСт3пс, Ст5сп.

Назначение этих сталей различное. Например, сталь Ст0 используют для изготовления деталей неответственного назначения. Например, лестничных маршей, арматуры, ограждений. Из сталей Ст1, Ст2 изготовляют заклепки, анкерные болты, фланцы, прокладки, элементы сварных конструкций неответственного назначения. Из стали Ст3 изготовляют болты, шпильки, гайки, шайбы, оси, валики, втулки, шестерни и другие детали, не несущие нагрузки.

Сталь Ст 4 после цементации или цианирования применяют в качестве материала для изготовления червяков, шестерен, поршневых пальцев, валиков, толкателей. Ст5 служит материалом для изготовления крюков кранов, валов, звездочек, рычагов, шатунов, рессор; Ст6 (в термически обработанном состоянии) – пружин, рессор, червяков, звездочек.

Углеродистую качественную конструкционную сталь маркируют двузначными цифрами, показывающими среднее содержание углерода в стали, выраженное в сотых долях процента. Например, сталь марки 25 содержит в среднем 0.25 %С, сталь 45 – 0,45 %С, сталь 60 – 0,60 %С. Степень раскисления стали указывают в конце марки, например сталь 10 кп. Так как в этих сталях содержание вредных примесей (S и Р) меньше, чем в сталях обыкновенного качества, то механические свойства выше.

Наиболее широко используют в машиностроении стали 40 и 45. После закалки и отпуска из них изготовляют детали средних размеров и несложной конфигурации, к которым предъявляют требования повышенной прочности и твердости: шпонки, валики, муфты, фрикционные диски прессов, собачки, храповики, звездочки. После улучшения (закалки и последующего высокого отпуска) эти стали используют для деталей, работающих при небольших скоростях и средних удельных давлениях – валов, шестерен, шлицевых валиков, плунжеров, арматуры, насосов, вентилей, шатунов.

Сталь 60 применяют для изготовления круглых и плоских пружин различного размера, шайб, дисков сцепления, а также валков прокатных станов.

Углеродистую инструментальную сталь маркируют буквой «У» и цифрой, означающей среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь марки У7 содержит в среднем 0,7 %, сталь У10 -1,0 %, сталь У13 – 1,3 % углерода. Буква «А» в конце марки означает, что сталь высококачественная (например, У11А), буква «Г» – сталь с повышенным содержанием марганца (например, У8ГА), буква «Ш» – сталь является особовысококачественной, т.к. выплавлена электрошлаковым переплавом (например, У9А – Ш), при этом содержание серы не должно превышать 0,015 %.

Из углеродистых инструментальных сталей изготовляют различного вида инструмент: У7 – слесарные зубила, молотки, клеймы, а также кузнечный инструмент; У8 - ножовочные полотна по металлу, ножницы, матрицы и пуансоны небольших прессов, а также столярный инструмент; У9, У10 – сверла, фрезы малого диаметра, метчики, развертки; У11 – малые штампы (работающие при небольших давлениях); У12, У13 – слесарные напильники, ножовочные полотна, токарные и строгальные резцы, плашки, шаберы, а также граверный инструмент. Режущий инструмент из инструментальной стали сохраняет свои режущие свойства (красностойкость) только до температур 180-200°С, в других случаях для изготовления инструмента используют быстрорежущие стали или твердые сплавы.