- § 16. Классификация сталей. Термическая обработка сталей
- Классификация сталей
- Ознакомление с термической обработкой стали
- Новые слова и понятия
- Классификация сталей
- Классификации сталей
- Классификация по химическому составу
- Классификация по структуре
- Классификация по степени раскисления
- Классификация стали по содержанию примесей
- Высококачественные
- Особовысококачественные
- Классификация стали по назначению
- Конструкционные
- Строительные
- Для холодной штамповки
- Цементируемые
- Улучшаемые
- Высокопрочные
- Пружинные
- Подшипниковые
- Автоматные
- Износостойкие
- Коррозионностойкие нержавеющие
- Инструментальные стали
- Для режущих инструментов
- Стали для измерительных инструментов
- Штамповые стали
- Валковые стали
- Что означает маркировка стали
§ 16. Классификация сталей. Термическая обработка сталей
Как вам уже известно, сталь — это сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. По применению — на конструкционные и инструментальные (табл. 3).
Таблица 3.
Классификация сталей
В углеродистой стали содержится 0,4. 2% углерода. Углерод повышает твердость стали, но увеличивает ее хрупкость и снижает пластичность.
Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественная.
Сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст и цифрами от 0 до 6, т. е. Ст0, Ст1 и т. д. Цифры показывают порядковый номер марки стали. Чем больше цифра, тем выше содержание углерода и прочность стали. Из стали обыкновенного качества изготовляют строительные конструкции, гайки, болты, заклепки, трубы, листовой прокат и др.
Углеродистая качественная сталь отличается повышенной прочностью. Она обозначается двумя цифрами, например: 05, 10, 20, 45 и т. д. Цифры показывают содержание углерода в сотых долях. Из этой стали производят зубчатые колеса, валы, оси, шкивы и др.
Инструментальная углеродистая сталь обладает большей прочностью и твердостью, чем конструкционная, и применяется для изготовления молотков, зубил, ножниц по металлу, ножовочных полотен, напильников и др. Она обозначается У10, У11, У12 и т. д. Цифры показывают содержание углерода в десятых долях.
Для придания стали определенных свойств в нее во время выплавки добавляют различные химические элементы (хром, никель, вольфрам и др.). Одни элементы повышают прочность и твердость, другие — упругость, третьи — коррозионную стойкость стали (т. е. сопротивляемость стали, например, воздействию воздуха и появлению ржавчины) и т. д. Стали, в которых есть эти элементы, называются легированными. Легирующие добавки в сталях обозначают буквами: X — хром, В — вольфрам, Н — никель, Г — марганец, Ф — ванадий, М — молибден и т. д. Например, в стали 40Х содержится 0,4 % углерода и 1 % хрома.
Легированные конструкционные стали применяют для изготовления рессор, пружин, шестерен и др., а легированные инструментальные — для изготовления режущих инструментов: сверл, плашек, метчиков и пр.
Свойства сталей можно изменять с помощью теплового воздействия — термической обработки (термообработки). Она заключается в нагреве заготовки до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Температура нагрева зависит от вида термообработки и марки стали.
Основные виды термообработки — закалка, отпуск, отжиг.
При закалке металл нагревают, а затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей. Закалка увеличивает твердость и прочность стали, но вместе с тем повышает и ее хрупкость. Закалка целесообразна только для сталей с содержанием углерода более 0,3 %.
Хрупкость стали после закалки можно уменьшить с помощью отпуска. Отпуск представляет собой нагрев остывшей закаленной детали до определенной температуры (обычно ниже температуры закалки) и последующее охлаждение в воде или на воздухе. Помимо хрупкости отпуск снижает и твердость стали, что улучшает ее обрабатываемость.
При отжиге заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и медленно, часто вместе с печью, охлаждают (в этом главное отличие от закалки). Отжиг резко снижает твердость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается.
Проводить рассмотренные выше виды термообработки можно в школьных мастерских, пользуясь муфельными печами небольшого размера. Температуру закалки можно контролировать по цветам свечения разогретого металла (цветам каления). Этот цвет зависит от температуры, до которой нагрета заготовка. Чем выше температура, тем светлее становится металл (рис. 58, а).
Рис. 58. Зависимость цвета заготовки от температуры нагрева: а — цвета каления; б — цвета побежалости
Температуру отпуска можно контролировать по цветам побежалости (рис. 58, б). Цвета побежалости — радужная окраска, возникающая на чистой поверхности нагретой стали. Например, если при нагреве поверхность заготовки приобрела темно-синий оттенок, значит, она нагрета до температуры примерно 300 °С.
На предприятиях термическую обработку материалов выполняют робочие-термисты. Термист должен разбираться в свойствах металлов, хорошо знать режимы термообработки различных сплавов, умело пользоваться термическими печами, строго соблюдать правила безопасной работы.
Практическая работа № 17
Ознакомление с термической обработкой стали
Внимание! Пункты 2, 3, 5 выполняет учитель.
- Закрепите в тисках образец из незакаленной стали (например, с содержанием углерода 0,6%) и проведите по нему несколько раз напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости незакаленной стали.
- Поместите образец в электрическую (муфельную) печь, нагретую до температуры 800 °С, и выдержите его 15—20 мин. Температуру нагрева образца определите по рисунку 58.
- Опустите раскаленный образец в воду или масло.
- Закрепите образец в тисках и попытайтесь обработать его напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости закаленной стали.
- Поместите образец в печь, нагретую до температуры 400. 550 °С, и выдержите 15—20 мин, после чего охладите в воде или на воздухе.
- Опилите образец в тисках и сделайте вывод о его обрабатываемости после отпуска.
Новые слова и понятия
Углеродистая сталь, легированная сталь, инструментальная сталь, термическая обработка, закалка, отпуск, отжиг, термист.
Источник
Классификация сталей
Сталь – сплав железа, содержащий менее 2,14% углерода и другим металлические и неметаллические компоненты. Она является одним из самых распространенных материалов и самым распространенным металлическим сплавом. Сталь применяется во всех отраслях хозяйства и во всех сферах жизни человека — от иголки шитья до корпуса атомного реактора и от винтика в дверном замке до пилона моста через пролив. За время развития металлургии для различных целей были разработаны сотни различных сортов, или марок сталей. Из них широко используются 7-8 десятков, остальные служат для специальных и редких применений.
Классификации сталей
Чтобы разобраться во всем многообразии марок, металлурги применяют несколько классификаций:
- по химическому составу;
- по структуре;
- по назначению;
- по качеству;
- по степени раскисления.
Существуют и другие классификации, но их применение ограничивается научными и узкоспециальными областями применения.
Классификация по химическому составу
По химическому составу классификацию проводя, подразделяя на: углеродистые и легированные стали, которые, в свою очередь, подразделяются на:
| углеродистые | Содержание углерода, % |
| 0,45 | высокоуглеродистые |
| легированные | Содержание присадок,% |
| 10 | высоколегированные |
Содержание углерода не влияет на степень легирования, Если доля Mn превышает 1%, а Si- 0,9%, они также признаются легирующими добавками
Классификация по структуре
Структура стали, кроме ее химического состава, зависит от многих факторов, влиявших на нее на этапах отливки и термической обработки. Классификация по структуре после процедуры отжига, во время которого заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи, следующая:
- доэвтектоидные – с избыточными ферритовыми включениями;
- эвтектоидные – ферриты замещаются перлитами;
- заэвтектоидные – с включениями вторичных карбидов;
- ледебуритные – с включениями первичных карбидов;
- аустенитные;
- ферритные.
После проведения процедуры нормализации, заключающейся в нагревании до температуры пластичности и остывании на открытом воздухе, классификация различает такие группы, как:
Классификация по степени раскисления
Процесс раскисления приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Классификация предусматривает такие классы, как:
Основными раскислительными добавками служат Mn, Al, Si.
Классификация сталей по степени раскисления
Классификация стали по содержанию примесей
Кроме классификации по содержанию углерода и по степени раскисления, применяется классификация по качеству, определяемому методом производства и содержанием вредных примесей, прежде всего, серы и фосфора. Классификация сталей по качеству:
| Группа | Сера, % | Фосфор, % |
| Обыкновенные (рядовые) | Обыкновенного качества Большую часть рядовых сталей составляют углеродистые сплавы (С Качественные К качественным относятся как углеродистые, так и легированные. Также производятся мартеновским или конвертерным способом с кислородным дутьем, но к составу сырья предъявляются намного более строгие требования, чем в случае рядовых. Также строже требования к соблюдению параметров плавки и розлива. Такие группы сталей стоят дороже и применяются для более ответственных деталей, работающих в условиях серьезных нагрузок.
Классификация сталей по качеству ВысококачественныеЭта группа производится более совершенными с точки зрения технологии способами, такими, как выплавка в электропечах. Особенности технологии производства позволяют добиться особо низкого содержания вредных примесей неметаллов и газовых включений, что гарантирует высокие механические свойства. Такие стали используются в особо ответственных узлах, а стоимость их в несколько раз выше, чем обычных.
ОсобовысококачественныеОни завершают классификацию сталей по качеству. Их производят, переплавляя электрошлаковым способом, что дает возможность в несколько раз снизить содержание примесей. Некоторые марки по цене приближаются к драгоценным металлам, и применяют такие легированные стали в уникальных случаях — в деталях атомных реакторов, криогенных установках, оборонной и аэрокосмической отрасли и некоторых других. Классификация стали по назначениюСледующий вид классификации сталей — по назначению:
Эта классификация в достаточной степени условна, в одной группе могут находиться десятки марок, а в другой — одна-две.
Классификация сталей по назначению К тому же многие марки по своим механическим свойствам применимы и для смежных назначений. При выборе марки для конкретной конструкции или детали дизайнеры и технологи учитывают, кроме формального назначения, еще множество факторов, таких, как цена, обрабатываемость, совместимость с другими деталями по коэффициенту теплового расширения и других. Иногда конструктор применяет марку, заведомо превосходящую по своим параметрам и стоимости простую конструкционную марку, вполне подходящую для данной детали. Это допустимо в условиях уникального производства или особо малых серий, высоких транспортных расходах, и ряде других случаев. Любое такое решение должно быть оправдано с финансовой точки зрения. КонструкционныеКонструкционные стали обыкновенного качества представляют собой одну из самых обширных групп.
СтроительныеСюда входит большое количество марок рядовых углеродистых и сплавов низкого легирования. Из таких материалов создают сложные пространственные конструкции, нагрузка в которых равномерно распределяется между всеми элементами. К каждому из них не предъявляется особых требований, кроме хорошей свариваемости. Для холодной штамповкиВ ходе холодной штамповки форма заготовки и ее размеры существенно меняются, поэтому к этой группе низкоуглеродистых качественных сплавов основное требование другое — высокая пластичность и стойкость на разрыв. ЦементируемыеЭта группа используется для производства узлов и деталей, подверженных трению и переменным периодическим нагрузкам. Процедура цементации служит для повышения стойкости поверхности к износу. В нее входят низкоуглеродистые (0,1-0,3%) и часть легированных сплавов.
Изделия из цементируемой стали УлучшаемыеЭти марки предназначены для специальных видов термообработки, таких, как закалка и отпуск, применяемых для улучшения прочностных и других механических характеристик материала. В группу входят как среднеуглеродистые, так и хромистые, в том числе с присадками бора, марганца, никеля и молибдена. ВысокопрочныеДля высокопрочных среднеуглеродистых высоколегированных сплавов специально подбирается состав и соотношение присадок, а также специфические программы термообработки. В результате металлурги достигают прочностных характеристик, в два и более раза превосходящих параметры конструкционных марок. Применяются в особо ответственных узлах. ПружинныеГлавная особенность пружинно — рессорных марок — это способность к многократным упругим деформациям без накопления эффекта усталости. Очень широко применяются на транспорте и в машиностроении, везде, где требуется амортизация, гашение колебаний или обеспечение возврата частей механизма в исходное положение после выполнения рабочего движения. Для повышения предела упругости углеродистые сплавы легируются кремнием, марганцем, бором и другими элементами.
ПодшипниковыеЧтобы обеспечить требуемый ресурс эксплуатации двигателей, станков и других механизмов, использующих подшипники, изделия из сплавов этой группы должны быть высокопрочными, износостойким и выносливыми. Должны быть минимизированы посторонние включения, неоднородности, все виды пор. Содержат около одного процента углерода и 0,8-1,5% хрома, подвергаются специальному уплотнению и термообработке АвтоматныеГлавный параметр для сплавов этой группы — высокая обрабатываемость, образование легко отламывающейся короткой стружки и пониженное трение меду деталью и инструментом. Их применяют для производства массовых серий крепежных компонентов на автоматизированных производственных комплексах. В состав добавляют серу, свинец, селен и теллур. Минусом становится сниженная пластичность материала. ИзносостойкиеПутем добавления в сплав больших количеств марганца получают износостойкие марки стали. Их назначение — производство узлов, подверженных сильному трению, в том числе и абразивному, большим статическим и динамическим нагрузкам. Это элементы стрелок на рельсовом пути, горного оборудования, ковшей погрузчиков, гусениц.
Заслонка из износостойкой стали Коррозионностойкие нержавеющиеЭти низкоуглеродистые сплавы подвергают сильному легированию хромом и марганцем. При кристаллизации хром формирует тонкий поверхностный слой окислов, защищающий деталь от воздействия химически активных сред. Такие сплавы могут эксплуатировать как в слабоагрессивных (вода, пар), так и высоко агрессивных средах (растворы кислот, щелочей, морская вода) при температурах до 60 °С Внутри коррозионностойкой группы есть своя классификация
По своим свойствам эти материалы значительно отличаются от широко известно пищевой нержавейки, из которой делают посуду и кухонное оборудование. Инструментальные сталиК материалам из большой и разнообразной группы инструментальных марок предъявляются специфические требования, связанные с особенностями применения производимых из них изделий. Внутри группы также есть свои подгруппы. Основные – это сплавы для: Для режущих инструментовГлавное требование к сплавам этой группы — способность сохранять заданную твердость, прочность и термостойкость при длительных механических и термических нагрузках.
Инструмент из инструментальной стали для режущих инструментов Такие сплавы отличаются весьма высокой стоимостью, поэтому режущий инструмент, как правило, не делают целиком из инструментальных материалов, а используют режущие пластины или поверхности другой формы, вплавляемые или закрепляемые на основе, сделанной из конструкционных марок. Это позволяет существенно снизить стоимость и продлить срок службы инструмента Группа также подразделяется на:
Высокая стоимость прогрессивного инструмента с лихвой окупается в общем случае повышением производительности оборудования, сокращением износа станков в расчете на одно изделие, снижением трудоемкости и повышением темпа выпуска изделий. Экономический эффект зависит от размера серии. Стали для измерительных инструментовОсновное требование к материалам этой группы — это стабильность формы и размеров в процессе измерения и хранения.
Изделие из стали для измерительных инструментов Второе по значимости свойство — это исключительное качество поверхности, хорошая обрабатываемость и особенно шлифуемость. Разумеется, требования к износостойкости и твердости также остаются в силе. Применяют как недорогие углеродистые славы, так и легированные хромом, никелем и другими присадками. Изделия подвергают цементации и закалке для улучшения качества поверхности и повышения износостойкости. В последнее время, с развитием передовых бесконтактных способов и средств измерения, таких, как лазерные, ультразвуковые и программно-аппаратное интегрированные в обрабатывающие центры, потребность в сплавах этой группы несколько снизилась. Но они по-прежнему востребованы как на опытных производствах, так и при изготовлении и поверке тех самых прогрессивных средств измерения. Штамповые сталиСплавы этой группы должны отличаться особой твердостью, прокаливаемостью и термостойкостью. Главное же требование к ним — высокая износостойкость и постоянство формы изделия. Сюда входят сплавы:
Валковые сталиПрименяются для изготовления разнообразных валков прокатных станов, ножей для резки металла, матриц и пуансонов. Применяются также для изготовления уникальных высоконагруженных узлов бумагоделательного и горного оборудования.
К ним выдвигаются следующие требования:
Завершается перечень требований приемлемой обрабатываемостью изделий и отличной шлифуемостью и полируемостью поверхностей. Это позволит получать прокат стабильно высокого качества. Что означает маркировка сталиПо маркировке стали можно легко определить ее назначение, химический состав, метод производства и некоторые другие параметры, иными словами, произвести исчерпывающую классификацию.
Если его больше одного процента, используют две цифры, если меньше — то одну, и значение показывается в десятых долях.
Пример расшифровки маркировки стали Далее идут группы, обозначающие тип и содержание легирующих присадок Буквенные коды элементов можно посмотреть здесь: буквенные обозначения легирующих присадок Если содержание элемента больше одного процента, то указывается содержание в процентах, если меньше — остается только буква. В конце кода может быть добавлена буквы А или АА, обозначающая содержание фосфора и серы и соответствующая качественным и высококачественным категориям.
Маркировка нержавеющей сварочной проволоки Добавляют также и буквы, указывающие на степень раскисления:
В США и Западной Европе, а также в Китае и Японии приняты свои способы классификации и маркировки сталей. Таблицы соответствия содержатся в марочниках. Источник |
