Меню

Преимущество углеродистых сталей по сравнению с легированными



Углеродистые и легированные стали

В практике чистое железо не используется, а применяются сплавы железа с углеродом и легирующими элементами: хромом, марганцем, кремнием, никелем, вольфрамом и др.

Подбором химических элементов и их концентрацией, проведением различных видов термической обработки материалов получают необходимые механические характеристики материалов, обеспечивающие не только работоспособность, но и высокую долговечность изделий. Кроме того, можно получить сплавы со специфическими свойствами жаропрочности, коррозийной стойкости, повышенной износостойкости и д.р.

Углеродистые стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь состоит в основном из двух химических элементов (железа и углерода), а легированные – из железа, углерода и специально введенных в сплав легирующих добавок. Механические свойства сталей зависят от содержания углерода (рис.15).

При малом содержании углерода (от 0,05 до 0,3 %) сталь хорошо прокатывается в листы, гнется, штампуется и вытягивается в холодном состоянии, хорошо сваривается и режется кислородом, но практически не закаливается, имеет относительно низкую твердость и износостойкость. Это строительные стали, из них прокаткой изготовляют трубы, листы, сталь угловую, швеллеры, двутавры и другой сортовой прокат, используемый для изготовления строительных конструкций.

Небольшое количество углерода (до 0,0001 %) может помещаться в свободных местах кристаллической решетки, большая же часть углерода находится в химически связанном с железом состоянии – в виде цементита Fe3C.

Углеродистая сталь представляет собой смесь зерен железа и карбидов железа. Первые называются в металловедении – ферритом, а вторые – цементитом.

Стали с содержанием углерода 0,3…0,8 % называют машиностроительными. Из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3…0,45 % делают валы и оси, а из высокоуглеродистых сталей (0,5…0,8 % углерода) – шестерни, рельсы и др.

Стали, содержащие углерода 0,7…1,3 %, называют инструментальными, из них изготовляют режущий инструмент (сверла, метчики, плашки, резцы и др.). Стали с содержанием углерода 0,3…1,3 % закаливаются и становятся более твердыми и износостойкими; чем больше в этих сталях углерода, тем они становятся тверже и прочнее, но хуже обрабатываются и свариваются. С увеличением прочности и твердости стали снижаются ее вязкость и пластичность. Сталь называется углеродистой (нелегированной) если в ней кроме углерода нет других легирующих элементов. Естественно, в сталях есть примеси химических элементов (сера, фосфор, марганец, кремний и т.д.), которые попали в нее из исходных веществ при производстве стали, т.е. из железной руды, угля, металлолома и чугуна.

При содержании углерода 0,8% (точка S – эвтектоидная точка) сплав железа и цементита носит название перлита. Он имеет слоистое строение зерна; в мягкой основной массе феррита параллельно друг другу располагаются мельчайшие твердые пластинки цементита. Стали с содержанием углерода меньше 0,8 % называются доэвтектоидными, с 0,8 % – эвтектоидными и свыше 0,8 % — заэвтектоидными. У сталей с содержанием углерода 0,8…2,1 % сплав представляет собой механическую смесь перлита и цементита, количество последнего увеличивается с ростом содержания углерода.

Высокоуглеродистые стали по сравнению с низкоуглеродистыми более прочные и твердые, но менее пластичны и более хрупки. Поэтому содержание углерода, определяя свойства сталей, делит их на группы назначения: строительные – невысокая пластичность и ударная вязкость; инструментальные – более высокая твердость; машиностроительные по сравнению со строительными сталями имеют более низкие значения ударной вязкости и пластичности, но повышенные — прочности и твердости.

Стали классифицируются (рис.16, 17) по следующим признакам: по химическому составу (углеродистые и легированные); по назначению (строительные, машиностроительные и инструментальные); по способу производства (мартеновские, бессемеровские, электростали и др.); по качеству (обыкновенные, качественные и высококачественные).

Стали обыкновенного качества делятся на три группы: А, Б и В.

Группа А это стали Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 (приложение 1). У этих сталей нормируются механические свойства (sв, sт, d). Цифра в марке стали означает ее условный номер и изменяется от 0 до 6; чем больше эта цифра, тем больше значение sв и sт. С увеличением цифры в марке стали от 0 до 6 несколько возрастает содержание углерода в стали. Индексы Б и В указываются только в марках сталей группы Б и В, а индекс А у сталей группы А опускается.

Имеются разновидности сталей группы А по раскислению (кп, сп, пс) и по содержанию марганца: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп,

У сталей группы Б нормируется химический состав по углероду (от 0,23 до 0,49%), кремнию (0,05…0,35 %) и марганцу (0,25…1,2 %): БСт0, БСт1,…БСт6 (приложение 2). Повторяются те же разновидности сталей как и у группы А по раскислению и по содержанию марганца: БСт0, БСт1кп, БСт1пс,…БСт6.

У сталей группы В нормируется химический состав и механические свойства: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5 (в отличие от сталей групп А и Б в группе В нет сталей Ст0, Ст6).

По степени раскисления стали делятся на:

– кипящие стали (большое содержание кислорода в окислах железа и менее 0,005 % Si), имеющие более низкий порог хладноломкости, поэтому эти стали (Ст1кп, БСт1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп) не следует применять для строительных конструкций, работающих при низких температурах;

– спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп,…), которые более надежны при низких температурах;

– полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс,…).

В конце марки указываются ее категория (от 1 до 6, причем цифра 1 для стали категории 1 не указывается).

Примеры расшифровки марок сталей обыкновенного качества: сталь Ст2кп3 – сталь обыкновенного качества группы А (нормируются механические свойства), марки Ст2, кипящая, 3-ей категории; сталь ВСт4кп4 – сталь обыкновенного качества, группы В (нормируются механические свойства и химический состав), марки Ст4, кипящая, 4-ой категории.

Качественные углеродистые стали (приложение 3) могут быть с обычным содержанием марганца (05кп, 08кп, …25, …85) и с повышенным (15Г, 20Г, …85Г). Цифра в марке качественных сталей означает содержание углеродав сотых долях %,а индекс Г указывает на наличие марганца (1%). По содержанию углерода стали делятся на: низкоуглеродистые (С 0,5%).

Примеры расшифровки марок качественных сталей: сталь 45- среднеуглеродистая сталь, содержащая 0,45% углерода; сталь 08кп — низкоуглеродистая сталь, содержащая 0,08% углерода, кипящая; сталь 70Г2- высокоуглеродистая сталь, содержащая 0,7% углерода и 2% марганца.

Высококачественные стали содержат меньшее количество вредных примесей (S

Химические элементы образуют с железом химические соединения (FeSi, Fe3W, FeCr) или твердые растворы замещения. Легирующие элементы (Mn, Ni, Cu, …) 1-й группы (аустенитообразующие) расширяют область g — железа (повышают точку А4 и снижают А3), этим самым улучшается закаливаемость сталей, а это приводит к увеличению твердости, прочности и снижению упругости. Легирующие элементы (Al, Si, W, Ti, Mo, Cr) 2-й группы (ферритообразующие) растворяются хорошо в феррите и изменяют его свойства, улучшая механические свойства сплава в целом.

По назначению (рис.17) легированные стали подразделяются аналогично углеродистым сталям на конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами (жаропрочные, нержавеющие и др.).

Арматурные стали изготовляют из углеродистых сталей обыкновенного качества и легированных сталей (приложение 6).

При расшифровке марки стали (табл. 4) по аналогии с вышеприведенными примерами указать легированная или углеродистая сталь, марку и вид стали, содержание химических элементов, степень раскисления, и другие показатели.

Варианты марок сталей.

Марки сталей
Ст0 40ХФА 15ГФD БСт1кп 40Г2 09Г2С 38ХГ БСт3Гпс 20пс 12ГС 30ХН3М ВСт3пс 40ХН2МА 25Г2С 10пс ВСт4пс 25ХГСА 10ГТ 08Х17Т БСт5сп 15Г2СМФ 15ГН4М 30Х2ГМТ 15ГСТЮ Ст2кп3 35ХГФ 10ГТ 10ХСНТ У13А 15Г2СФD Ст1кп 15ГФ БСт1сп 35ХГФ 17Г2С БСт3Гсп 20кп 14Г2 30ХН2МА ВСт3сп 32Г2Рпс 10кп ВСт4сп 30ХГСА 22Х2Г2АЮ 18кп 08Х13 12ХМ 10Х2М1 15ГФ 14ХГС МСт4пс 70С3А 18ХНВА 25Г2ТФ 40Х Ст1сп 30Г2 10Г2С1D БСт3кп 17ГС 30Х3МФ БСт4кп 18кп 09Г2 15кп ВСт3Гпс 38ХН3ФМА 80С Ст5Гпс 08кп 20Х2Г2СР 40Х 80С 12Г2Б ВСт4пс 40ХН4А Ст6сп БСт1пс2 55С2 ВСт4пс 05кп 15Г2СФ 30ХМА Ст2пс 40ХГТР 09Г2СD БСт3сп 30ХГСА 16ГС 40ХН БСт6пс 15пс 35ГС 18Х2Н4МА ВСт3Гсп 30ХГСА 20ХГ2Ц 08пс Ст6сп 08Х18Н10Т 20кп 15пс 08пс 20ХГ2Ц 20ХГ2Ц 30ХГАСА 15Г2АФД 05кп ВСт5сп3 12Х2Н4А 65Г 40Х9С2 12ХН3А 45Г2 60С2 18ХГТ 20ХНМ У8А 30ХГСА 45Х14Н14В2М У7 18ХГТ 08Х18Н10Т 50Г2 У7А 18Х2Н4ВА 25Г 12Х18Н10Т 15ХФ 17ГС 10Г2СD 10Г2Б 15Г2АФDпс 06ХН28МDТ Ст2сп4 50Г12Н2МФАЮ 50Х2Г4Ц 17Гс 14ГН
Читайте также:  Сравните географию предприятий производящих черные тяжелые легкие цветные металлы кратко

Дата добавления: 2016-05-11 ; просмотров: 8796 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Разница между легированной сталью и углеродистой сталью

Сталелитейная промышленность является одной из крупнейших отраслей промышленности в мире. Сталь производится в основном путем смешивания железа с другими металлическими или неметаллическими элементам

Содержание:

Основное отличие — легированная сталь против углеродистой стали

Сталелитейная промышленность является одной из крупнейших отраслей промышленности в мире. Сталь производится в основном путем смешивания железа с другими металлическими или неметаллическими элементами. Целью производства стали является получение различных свойств путем смешивания железа с другими элементами. Легированная сталь и углеродистая сталь — это два вида стали, которые отличаются друг от друга по своему составу. Основное различие между легированной сталью и углеродистой сталью состоит в том, что легированная сталь имеет большое количество других элементов, кроме железа и углерод в то время как углеродистая сталь имеет следовые количества других элементов, кроме железа и углерода.

Ключевые области покрыты

1. Что такое легированная сталь
— Определение, свойства, использование
2. Что такое углеродистая сталь
— Определение, свойства, использование
3. В чем разница между легированной сталью и углеродистой сталью
— Сравнение основных различий

Ключевые термины: легированная сталь, углерод, углеродистая сталь, железо, сталь

Что такое легированная сталь

Легированная сталь — это металлические сплавы железа, углерода и большого количества других элементов. Другие элементы, присутствующие в нем, обычно включают марганец, кремний, никель, титан, медь и хром. Эти элементы называют элементами сплава, потому что эти элементы смешаны вместе, чтобы сформировать сплав. Целью добавления этих элементов является улучшение свойств стали. Легированную сталь можно разделить на две категории следующим образом.

  • Низколегированная сталь
  • Высоколегированная сталь

Низколегированные стали содержат небольшое количество легирующих элементов, тогда как высоколегированные стали содержат большое количество легирующих элементов. Обычно для улучшения твердости и долговечности стали добавляют легирующие элементы. Легированная сталь также устойчива к коррозии из-за присутствия значительного количества других элементов, таких как хром.

Например, нержавеющая сталь — это легированная сталь. Он содержит около 10% хрома вместе с железом и углеродом в смеси элементов. Благодаря своей антикоррозионной стойкости нержавеющая сталь используется для изготовления кухонных предметов.

Рисунок 1: Обратный обратный клапан из нержавеющей стали (легированная сталь).

Что такое углеродистая сталь

Углеродистая сталь состоит из железа и углерода. Легирующие элементы присутствуют в следовых количествах. Некоторыми из этих элементов являются кремний, марганец, сера и фосфор. Углеродистая сталь также делится на две группы, как показано ниже.

  • Высокая углеродистая сталь
  • Низкоуглеродистая сталь

Благодаря высокому количеству углерода, присутствующего в углеродистой стали, он проявляет такие свойства, как твердость, меньшая пластичность, пониженная свариваемость и низкая температура плавления. Мягкая сталь относится к низкоуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,05 до 0,25%. Из-за высокого содержания железа он вызывает коррозию во влажных средах. Высокоуглеродистые стали содержат от 0,6% до 1,0% углерода. Эти высокоуглеродистые стали очень прочны. Поэтому в качестве строительных материалов используются углеродистые стали.

Рисунок 2: Углеродистая сталь, используемая в качестве строительного материала

Разница между легированной сталью и углеродистой сталью

Определение

Легированная сталь: Легированная сталь — это тип стали с высоким процентным содержанием других элементов, кроме железа и углерода.

Углеродистая сталь: Углеродистая сталь — это тип стали с высоким содержанием углерода и низким количеством других элементов.

Устойчивость к коррозии

Легированная сталь: Легированные стали устойчивы к коррозии.

Углеродистая сталь: Углеродистые стали менее устойчивы к коррозии.

Прочность

Легированная сталь: Прочность легированной стали низкая по сравнению с углеродистой сталью.

Углеродистая сталь: Углеродистая сталь обладает высокой прочностью.

свариваемость

Легированная сталь: Свариваемость легированной стали высокая.

Углеродистая сталь: Свариваемость из углеродистой стали низкая.

Температура плавления

Легированная сталь: Легированные стали имеют высокие температуры плавления.

Углеродистая сталь: Углеродистые стали имеют низкие температуры плавления.

тягучесть

Легированная сталь: Пластичность легированной стали высокая.

Углеродистая сталь: Пластичность углеродистой стали низкая.

Заключение

Состав элементов в стали отличается от одного типа стали к другому. Поэтому стали классифицируются в основном в соответствии с их составом. Легированная сталь и углеродистая сталь являются такими двумя типами стали. Основное различие между легированной сталью и углеродистой сталью состоит в том, что легированная сталь имеет большое количество других элементов, кроме железа и углерода, тогда как углеродистая сталь имеет следовые количества других элементов, кроме железа и углерода.

Рекомендации:

1. «Информация об углеродистых сталях и легированных сталях». Информация об углеродистых сталях и легированных сталях | Engineering360. Н.п., н.д. Web.

Источник

Углеродистые и легированные стали

1. Стали углеродистые обыкновенного качества

Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: углеродистые стали обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматная, котельная и др.).

Стали углеродистые обыкновенного качества соответствуют ГОСТ 380–2005. Их поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях народного хозяйства.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6.

Цифры — это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В. Индексы справа от номера марки означают:

  1. кп — кипящая;
  2. пс — полуспокойная;
  3. сп — спокойная.

Между индексом и номером марки может стоять буква Г, это означает повышенное содержание марганца. Вобозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали. Стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления. Например, Ст5Гпс3 означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс.

Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантируют их механические свойства, определяемые соответствующим государственным стандартом. Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.).

Сталь группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют. Сталь группы Б поставляют по механическим свойствам, соответствующим нормам для стали группы А, и по химическому составу, соответствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы Б используют, в основном, для сварных конструкций.

2. Стали углеродистые качественные конструкционные

Стали углеродистые качественные конструкционные соответствуют ГОСТ 1050–88. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и в большинстве случаев — более высоким содержанием кремния и марганца.

Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. Буква Г в марках этих сталей также указывает на повышенное содержание марганца (до 1%). Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка). К сталям углеродистым специального назначения относят стали (ГОСТ 1414–75) с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены, в основном, для изготовления деталей массового производства.

Читайте также:  Банки сравнение кредитов банк профит

Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением в стали технологических добавок — селена, свинца, теллура. Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12, А20, А30, А40Г. Из стали А12 изготовляют неответственные детали, из сталей других марок — более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений.

Стали листовые (котельные, ГОСТ 5520–79 и ТУ) для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450°С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали: 12К, 15К, 16К, 18К, 20К, 22К с содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска. Свойства и назначение качественных конструкционных сталей приведены в табл. 1.

3. Влияние легирующих элементов. Маркировка легированных сталей

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Таблица 1. Механические свойства качественной конструкционной стали

Марка

стали

Предел

прочности

при растяжении

σВ, МПа

Относительное

удлинение δ,%

Твердость,

НВ

Назначение
08 330 33 131 Малонагруженные детали: шестерни, звездочки, ролики, оси, подвергающиеся цементации
10 340 31 143
15 380 27 149
20 420 25 163
25 460 23 170 Средненагруженные детали: шестерни, валы, оси
30 500 21 179
35 540 20 207
40 580 19 217 Средненагруженные детали: шатуны, валы, шестерни, пальцы
45 610 16 229
50 640 14 241 Высоконагруженные детали: шестерни, муфты, пружинные кольца, пружины
55 660 13 255
60 690 12 255 Пружины, рессоры, эксцентрики и другие детали, работающие в условиях трения
65 710 10 255
70 730 9 269
75 1100 7 285
80 1100 6 285
85 1150 6 302
60Г 710 11 269
70Г 800 8 285

Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его.

Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель — элементы с решеткой, отличающейся от решетки -Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сr и 1,5% Мn.

Повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Улучшение прокаливаемости стали достигается при ее легировании несколькими элементами, например Сr + Мо, Cr + Ni, Cr + Ni + Mo и другими сочетаниями различных элементов.

Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает разрушение стали.

Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.

Никель — наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.

Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Никель заметно повышает предел текучести стали, но делает ее чувствительной к перегреву. Всвязи с этим для измельчения зерна одновременно с никелем в сталь вводят карбидообразующие элементы.

Кремний является некарбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.

Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2…0,4% и вольфрам в количестве 0,8…1,2% в комплексно легированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.

Ванадий и титан — сильные карбидообразущие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, титана, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.

Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002…0,005%).

Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения (ГОСТ 4543–71):

Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%.

В качественных конструкционных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержание углерода в сотых долях процента. Высококачественные легированные стали имеют в конце марки букву А, а особо высококачественные — Ш. Например, сталь марки 30ХГСН2А: высококачественная легированная сталь содержит 0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и до 2% никеля; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошлакового переплава с вакуумированием, содержит 0,9…1,0% углерода; 17…19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы. Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.

4. Цементуемые, улучшаемые и высокопрочные стали

Цементуемые стали — это низкоуглеродистые (до 0,25 С), низко- (до 2,5%) и среднелегированные (2,5…10% суммарное содержание легирующих элементов) стали. Они предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающих ударные и переменные нагрузки.

Стали марки 15ХА с пределом прочности σв МПа предназначены для изготовления небольших деталей, работающих в условиях трения при средних давлениях и скоростях. Для изготовления ответственных деталей, работающих при больших скоростях, высоких давлениях и ударных нагрузках, используется сталь марок 18ХГ и 25ХГМ. Для крупных, ответственных, тежелонагруженных деталей применяются стали 20ХН и 20Х2Н4А.

При изготовлении крупных, особо ответственных, тяжелонагруженных деталей, работающих при больших скоростях с наличием вибрационных и динамических нагрузок, используется сталь с пределом прочности в МПа марки 18Х2Н4МА.

Работоспособность таких деталей зависит от свойств сердцевины и поверхностного слоя металла. Цементуемые стали насыщают с поверхности углеродом (цементуют) и подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Такая обработка обеспечивает высокую поверхностную твердость (HRC 58…63) и сохраняет требуемую вязкость и заданную прочность сердцевины металла.

Улучшаемые легированные стали — среднеуглеродистые (0,25…0,6% С) и низколегированные стали. Для обеспечения необходимых свойств (прочности, пластичности, вязкости) эти стали термически улучшают, подвергая закалке и высокому отпуску (при 500…600°С).

Улучшаемые и цементуемые стали после термической обработки дают прочность до σв МПа и вязкость до КС= 0,8…1,0 МДж/м 2 . Для создания новых современных машин такой прочности недостаточно. Необходимы стали с пределами прочности σв МПа. Для этих целей применяют комплексно легированные и мартенситостареющие стали. Свойства таких сталей и их назначение показаны в табл. 2.

Таблица 2. Улучшаемые легированные стали

Марка Предел

прочности

при

растяжении

σв, МПа

Относительное

удлинение δ,%

Удельная

вязкость

КС, МДж/м 2

Назначение
40ХС 1250 12 0,35 Некоторые детали, работающие в условиях повышенных напряжений и знакопеременных нагрузок
40ХФА 900 10 0,9
30ХГФА 1100 10 0,5 Детали, работающие в условиях трения, и ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках и температуре до 200°С
40ХН2МА 1100 12 0,8 Крупные особо ответственные тяжелонагруженные детали сложной формы

Комплексно легированные стали — это среднеуглеродистые (0,25…0,6% С) легированные стали, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергающиеся термомеханической обработке.

Мартенситостареющие стали — это новый класс высокопрочных легированных сталей на основе безуглеродистых (не более 0,03% С) сплавов железа с никелем, кобальтом, молибденом, титаном, хромом и другими элементами. Мартенситостареющие стали закаливают на воздухе от 800…860°С с последующим старением при 450…500°С.

5. Углеродистые инструментальные стали

Инструментальные стали — это особая группа сталей, обладающих специфическими свойствами. Эти стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов.

По условиям работы инструмента к углеродистым инструментальным сталям предъявляют следующие требования:

  1. стали для режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, фрезы и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью;
  2. стали для измерительного инструмента должны быть твердыми, износостойкими и длительное время сохранять размеры и форму инструмента;
  3. стали для штампов (холодного и горячего деформирования) должны иметь высокие механические свойства (твердость; износостойкость, вязкость), сохраняющиеся при повышенных температурах;
  4. стали для штампов горячего деформирования должны обладать устойчивостью против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении.

Инструментальные углеродистые стали (ГОСТ 1435–99) выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г, например У8Г, после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца, что обеспечивает большую твердость сплава.

Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С. Инструменты, применение которых связано с ударной нагрузкой, например зубила, бородки, молотки, изготовляют из сталей У7А, У8А. Инструменты, требующие большой твердости, но не подвергающиеся ударам, например сверла, метчики, развертки, шаберы, напильники, изготовляют из сталей У12А, У13А. Стали У7—У9 подвергают полной, а стали У10— У13 — неполной закалке.

Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость — способность сохранять большую твердость при высоких температурах нагрева. При нагреве выше 200°С инструмент из углеродистых сталей теряет твердость, т.е. при повышенных температурах нужно применять инструменты из других сталей.

6. Легированные инструментальные стали

Легированные инструментальные стали имеют ГОСТ 5950– 2000. Легирующие элементы, вводимые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам). По сравнению с углеродистыми легированные инструментальные стали имеют преимущества:

  1. хорошая прокаливаемость;
  2. большая пластичность в отожженном состоянии;
  3. значительная прочность в закаленном состоянии, более высокие режущие свойства.

Низколегированные инструментальные стали содержат до 2,5% легирующих элементов, имеют высокую твердость (HRC 62…69), значительную износостойкость, но малую теплостойкость (200…260°С). Их используют для изготовления инструмента более сложной формы. В низколегированных сталях X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элементхром. Сталь X легирована только хромом. Повышенное содержание хрома увеличивает ее прокаливаемость. Сталь X прокаливается в масле полностью в сечении до 25 мм, сталь У10 — только в сечении до 5 мм.

Применяют сталь X для изготовления токарных, строгальных и долбежных резцов. Сталь 9ХС, кроме хрома, легирована кремнием. По сравнению со сталью X она имеет большую прокаливаемость — до 35 мм; повышенную теплостойкость — до 250…260°С (сталь X — до 200…210°С) и лучшие режущие свойства. Из стали марки 9ХС изготовляют сверла, развертки, фрезы, метчики, плашки. Сталь ХВГ легирована хромом, вольфрамом и марганцем; имеет прокаливаемость на глубину до 45 мм. Сталь ХВГ используют для производства крупных и длинных протяжек, длинных метчиков, длинных разверток и т.п.

Сталь ХВСГ — сложнолегированная и по сравнению со сталями 9ХС и ХВГ лучше закаливается и прокаливается. При охлаждении в масле она прокаливается полностью в сечении до 80 мм. Она менее чувствительна к перегреву. Теплостойкость ее такая же, как у стали 9XС. ХВСГ применяют для изготовления круглых плашек, разверток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.

Высоколегированные инструментальные стали содержат вольфрам, хром и ванадий в большом количестве (до 18% основного легирующего элемента); имеют высокую теплостойкость (600…640°С). Их используют для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных сталей и других труднообрабатываемых материалов. Такие стали называют инструментальными быстрорежущими (ГОСТ 19265–73). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой указывают содержание вольфрама. Содержание хрома (4%) и ванадия (2%) в марках быстрорежущих сталей не указывают. В некоторые быстрорежущие стали дополнительно вводят молибден, кобальт и большое количество ванадия. Марки таких сталей содержат соответственно буквы М, К, Ф и цифры, указывающие их количество. Для изготовления измерительных инструментов применяют X, ХВГ и другие стали, химический состав которых приведен в ГОСТ 5950–2000.

Для измерительного инструмента большое значение имеет изменение размеров закаленного инструмента с течением времени. Поэтому при термической обработке измерительного инструмента внимание уделяется стабилизации напряженного состояния. Это достигается режимом низкого отпуска — при температуре 120…130°С в течение 15…20 ч и обработкой при температурах ниже нуля (до –60°С).

Штампы холодного деформирования небольших размеров (сечением 25…30 мм), простой формы, работающие в легких условиях, изготовляют из углеродистых сталей У10, УН, У12. Штампы сечением 75…100 мм более сложной формы и для более тяжелых условий работы изготовляют из сталей повышенной прокаливаемости X, ХВГ. Для изготовления инструмента с высокой твердостью и повышенной износостойкостью, а также с малой деформируемостью при закалке используют стали с высокой прокаливаемостью и износостойкостью, например высокохромистую сталь Х12Ф1 (11…12,5% Сr; 0,7…0,9% V).

Для инструмента, подвергающегося в работе большим ударным нагрузкам (такого как пневматические зубила, режущие ножи для ножниц холодной резки металла), применяют стали с меньшим содержанием углерода, повышенной вязкости — 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и др.

Молотовые штампы горячего деформирования изготовляют из сталей 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ. Эти стали содержат одинаковое количество (0,5…0,6%) углерода и легированы хромом. Такое содержание углерода позволяет получить достаточно высокую ударную вязкость; хром повышает прочность и увеличивает прокаливаемость сталей. Никель вводят в эти стали с целью повышения вязкости и улучшения прокаливаемости. Вольфрам и молибден повышают твердость и теплостойкость, уменьшают хрупкость, измельчают зерно и уменьшают склонность стали к перегреву. Марганец как более дешевый легирующий элемент является заменителем никеля. Для сталей молотовых штампов характерна глубокая прокаливаемость.

7. Коррозионно-стойкие стали

Коррозионно-стойкой (или нержавеющей) называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Коррозионно-стойкие стали получают легированием низкои среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые стали.

Хромистые стали более дешевые, однако хромоникелевые обладают большей коррозионной стойкостью. Содержание хрома в нержавеющей стали должно быть не менее 12%. Наибольшая коррозионная стойкость сталей достигается после термической и механической обработки (табл. 3).

Таблица 3. Химический состав (%) некоторых нержавеющих сталей

Источник