10162

4.3. Классификация и маркировка сталей и чугунов

Углеродистые стали обыкновенного качества поставляются горяче-

катаными в виде проката (уголки, швеллеры, листы, прутки и т.д.). Данные стали регламентируются ГОСТ 380 – 94.

Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от гаран-

тируемых свойств объединены в группы А, Б, В. По группе А стали по-

ставляют с гарантированными механическими свойствами, по группе Б – химическими и по группе В – с теми и другими одновременно. В марки-

ровке этих сталей также указывается сочетание букв «Ст» с цифрой (от 0

до 6), указывающей номер марки, далее приводится степень раскисления:

если «сп» – то спокойная, «пс» – полуспокойная и «кп» – кипящая. Напри-

мер, ВСт5пс, АСт3сп и БСт1кп.

Механические свойства сталей обыкновенного качества регламенти-

руются ГОСТ 535 – 88 и приведены в табл. 4.1.

Спокойную и полуспокойную сталь изготавливают Ст1 – Ст6, кипя-

щую – Ст1–Ст4. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют, в ней приводится только содержание углерода (С< 0,23 %), серы (S < 0,06 %) и

фосфора (Р < 0,07 %). В остальных марках регламентировано содержание С, Mn, Si, S, P, а также As и Р.

Для сталей обыкновенного качества, кроме Ст0, справедлива следую-

щая формула по определению углерода: С (%) ≈ 0,07 х номер марки. Так, в

стали СтЗ содержание C ≈ 0,07 х 3 ≈ 0,21 % (фактически 0,14 - 0,22 %).

В случае, если стали производят с повышенным (0,80 - 1,1 %) содер-

жанием марганца, в маркировке будет указываться буква «Г»: СтЗГпс,

СтЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипя-

щих – не более 0,05 %, у полуспокойных – не более 0,15 %, у спокойных – не более 0,30 %.

Углеродистые качественные стали маркируются по содержанию уг-

лерода. Такие стали отличаются меньшим содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют с гарантированным хими-

ческим составом и механическими свойствами (табл. 4.2).

Как видно из табл. 4.2, маркируются эти стали двухзначными числа-

ми: 08, 10, 15, 20, 25, …60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-80). Например, сталь 20 содержит в среднем 0,2 мас.% углерода, сталь 50 – 0,5 мас.% и т.д.

Таблица 4.2

Свойства углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-80)

Спокойные стали, маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами соответственно «пс» «кп». Кипящими производят стали 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными – 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

В сталях допускается не более 0,8% Mn; 0,37% Si; 0,045% S; 0,035% P;

0,25% Cr; 0,3% Ni; 0,3% Cu; 0,08% As.

Легированные стали бывают качественными, высококачественными и особовысококачественными. Эти группы сталей многочисленны по числу марок.

Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обо-

значающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром – X, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам

– В, титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, ниобий – Б, бор – Р,

кобальт – К, цирконий – Ц. Число, стоящее после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если число отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1,4 мас.%, ис-

ключением является содержание Zr, B и Ti, их концентрации значительно меньше и не превышают по содержанию 0,5 мас.%.

Число в начале марки конструкционной легированной стали показы-

вает содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь

40ХН3А в среднем содержит 0,40 % С, 1 % Сr и 3 % Ni. Буква А в конце марки означает что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали (например, после электрошлакового переплава) имеют в конце марки букву Ш, например, 20ХГС-Ш.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения:

марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, автоматных – с

буквы А.

82

Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Элек-

тросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследователь-

ская) или ЭП (П – пробная) и порядковым номером (например, ЭИ415,

ЭП716 и т.д.). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.

Чугуны подразделяются на белый чугун, серый, высокопрочный и ковкий. Чугун с пластинчатым графитом в микроструктуре называют –

серым чугуном, с шаровидным графитом – ковким чугуном и с хлопьевид-

ным графитом – ковким чугуном. Белый чугун содержит С в виде цемен-

тита Fe3C.

Белый чугун назван так по виду излома. Структура белого чугуна со-

стоит из перлита, ледебурита и избыточного цементита. Поэтому он отли-

чается высокой твердостью, хрупкостью, низкой прочностью и трудоемко-

стью механической обработки. Из отбеленного чугуна производят прокат-

ные валки и др. Из белого чугуна делают отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.

Серый чугун (ГОСТ 1412–85) в изломе имеет темно-серый цвет вслед-

ствие того, что весь углерод или часть его выделяется в виде графита. В

зависимости от распада цементита различают ферритный, феррито-

перлитный и перлитный серые чугуны.

Серый ферритный чугун получается при полном распаде цементита

(входящего в состав ледебурита), перлита, а также структурно свободного цементита. Структура чугуна состоит из феррита и графита.

Серый феррито-перлитный чугун характеризуется меньшей степенью графитизации, поскольку ей подвергается цементит (входящий в состав ледебурита), вторичный цементит и цементит, входящий в состав перлита.

При этом образуется структурно свободный феррит, освобождающийся из перлита. Структура становится феррито-перлитной с графитом.

Серый перлитный чугун образуется, когда графитизации подвергается полностью цементит, входящий в состав ледебурита, и вторичный цемен-

83

тит. Структура перлитного чугуна после окончательных превращений состоит из перлита и графита.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, по-

казывающей уменьшенное в десять раз значение временного сопротивле-

ния при растяжении. Например, марка СЧ 25 означает, что чугун имеет ζВ = 250 МПа.

Ковким чугуном (ГОСТ 1215–79) является белый чугун, графитизиро-

ванный термической обработкой (отжигом, томлением). Для получения ковкого чугуна необходимо белый чугун нагреть до 950 – 1000°С и затем после длительной выдержки охладить с малой скоростью до обычной температуры. В зависимости от степени графитизации ковкий чугун может быть ферритным или перлитным, а также феррито – перлитным. Разная степень графитизации достигается изменением условий отжига.

Ковкий чугун не поддается ковке. Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ и числами, первое из которых указывает уменьшенное в десять раз значение ζВ, второе – значение δ. Например, марка КЧ 60 – 3 означает, что чугун имеет ζВ = 600 МПа и δ = 3%.

Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293–85). Серый чугун с округлой (гло-

булярной) формой графита, получаемый при модификации Mg или Сr,

называют высокопрочным чугуном. Такая форма графита определяет наи-

большую сплошность металлической основы, а следовательно, высокую прочность, повышенную пластичность и ударную вязкость. Высокопроч-

ный чугун получают из обычного серого перлитного чугуна.

Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и цифры, показы-

вающей уменьшенное в десять раз значение временного сопротивления при растяжении. Например, марка ВЧ 100 означает, что чугун имеет ζВ =

1000 МПа.

84

4.4. Характеристика конструкционных сталей

Конструкционная сталь – сталь предназначенная для изготовления де-

талей машин и различных строительных сооружений. По основным осо-

бенностям, определяющим область их применения в промышленности,

можно разделить на две группы:

–стали общего назначения;

–стали специализированного назначения.

Стали общего назначения – применяются для изготовления различных деталей и изделий в разных отраслях машиностроения. Наиболее важной характеристикой, по которой выбираются эти стали, являются механиче-

ские свойства. Поэтому марки машиностроительной стали для изготовле-

ния изделий надо выбирать с учетом толщины изделия, а, следовательно, и

прокаливаемости стали. Отсюда и классификация стали общего назначе-

ния на группы:

– сталь небольшой прокаливаемости, прокаливающаяся полно-

стью в деталях диаметром не более 10-15 мм;

– сталь средней прокаливаемости, прокаливающаяся полно-

стью в деталях диаметром до 25-35 мм

– сталь повышенной прокаливаемости, прокаливающаяся пол-

ностью в деталях диаметром до 50-70 мм;

– сталь высокой прокаливаемости, прокаливающаяся в деталях диаметром более 75-100 мм, обладающая, кроме того, высокими прочно-

стью и вязкостью после термической обработки.

Классификация конструкционной стали специализированного назна-

чения:

Для железнодорожного транспорта:

–сталь для ж/д рельс;

–сталь для ж/д осей;

–сталь для бандажей;

85

– сталь для цельнокатаных колес.

Рессорно-пружинная (ГОСТ 2052);

Повышенной обрабатываемости (автоматная сталь ГОСТ 1414);

Износоустойчивая (ГОСТ 801);

Устойчивая против коррозии (коррозийностойкая и жаростойкая ГОСТ 5949);

Для работы под нагрузкой при повышенных температурах (жаропроч-

ная ГОСТ 5632-72 и ГОСТ 7350-77).

Жаропрочные стали могут быть классифицированы:

а) в зависимости от количественного содержания легирующих эле-

ментов:

–низколегированные;

–среднелегированные;

–высоколегированные стали.

б) по структуре (после охлаждения на воздухе) различают жаропроч-

ные стали:

–перлитного;

–мартенситного;

–мартенситно-ферритного;

–ферритного;

–аустенитно-мартенситного;

–аустенитного классов.

Поэтому к группе конструкционных сталей следует относить пружин-

ные, клапанные стали, стали для турбинных лопаток, подшипников и др.

Однако значительное различие в составе и свойствах названных сталей делает целесообразным выделение их в специальные группы; к конструк-

ционным сталям обычно относят лишь улучшаемые и цементируемые стали.

Главной характеристикой конструкционных сталей являются их меха-

нические свойства при статических и динамических нагрузках. Иногда к

86

ним предъявляют дополнительные требования, например, стойкость про-

тив коррозии, износостойкость и др. В отдельных случаях необходимыми свойствами обладает простая углеродистая сталь, а в других случаях кон-

струкционную сталь необходимо легировать теми или иными элементами.

Конструкционные стали подразделяют в свою очередь по назначению на строительные (главным образом низкоуглеродистые) и машинострои-

тельные (средне- и низкоуглеродистые). Низкоуглеродистые машино-

строительные детали (углеродистые и легированные) с содержанием угле-

рода до 0,20—0,25% используют для изготовления деталей, подвергаемых цементации. Поэтому конструкционные стали этой группы принято назы-

вать цементуемыми. Среднеуглеродистые (от 0,25–0,30 до 0,50–0,55%С)

конструкционные машиностроительные стали приобретают хорошее соче-

тание механических свойств после закалки и высокого отпуска. Такую термическую обработку называют улучшением, поэтому эти стали состав-

ляют группу улучшаемых сталей.

Строительные стали

Низкое содержание углерода в строительных сталях вызвано тем, что эти стали должны хорошо свариваться. Кроме того, эти стали менее склон-

ны к потере вязкости при понижении температуры и старении. Как прави-

ло, они содержат не более 2% легирующих элементов, и поэтому их отно-

сят к низколегированным конструкционным сталям. К строительным ста-

лям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низ-

колегированные 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 низкоугле-

родистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.

Цементируемые стали

Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, рабо-

тающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом

87

динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также неко-

торые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).

Улучшаемые стали

К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучше-

нию - 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), хромоникеле-

вые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали

Высокопрочные стали – это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности пример-

но вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уро-

вень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях - таких, как 30ХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА,

03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ.

Пружинные стали

Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение дли-

тельного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружин-

ным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элемен-

тами, которые повышают предел упругости – кремнием, марганцем, хро-

мом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Подшипниковые стали

Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъ-

являют повышенные требования на отсутствие различных включений,

макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали харак-

88

теризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома

(ШХ9, ШХ15).

Автоматные стали

Автоматные стали используют для изготовления неответственных де-

талей массового производства (винты, болты, гайки и др.), обрабатывае-

мых 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 железнодо-

рожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки земле-

ройных 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;

89