Как отличить конструкционную сталь от инструментальной по марке
Перейти к содержимому

Как отличить конструкционную сталь от инструментальной по марке

  • автор:

Виды и марки стали

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:



      1. 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.
      2. 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.



          1. 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:

          1. спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,
          2. полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,
          3. 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.

          Марка стали С245 — Ст3пс5

          Марка стали С255 — Ст3сп5

          Марка стали С235 — Ст3кп2

          Марка стали С345 — 09Г2С

          Инструментальная и конструкционная сталь

          Инструментальная сталь, углеродистая или легированная сталь используется для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирования, а также деталей машин, испытывающих повышенный износ при умеренных динамических нагрузках.

          Зачастую инструментальная сталь содержит более 0,6—0,7% С; исключение — штамповые стали для горячего деформирования, содержащие 0,3—0,6% С. Для улучшения эксплуатационных свойств инструментальную сталь подвергают термической обработке (закалке, отпуску), в результате которой твёрдость инструментальной стали повышается до 60—66 HRC, прочность при изгибе — 2,5—3,5 Гн/м2 (250—350 кгс/мм2).

          С увеличением твёрдости повышается и износостойкость инструментальной стали — способность сохранять неизменные размеры и форму рабочей поверхности при трении с высокими давлениями.

          Инструментальные стали, легированные хромом и марганцем, обладают более высокой закаливаемостью и прокаливаемостью, чем углеродистые. Повышенная красностойкость инструментальной стали — способность сохранять высокую твёрдость и износостойкость при температурах до 500—700 °С — достигается легированием сталей вольфрамом, молибденом, ванадием. В зависимости от устойчивости против нагрева, возникающего в процессе эксплуатации, инструментальную сталь подразделяют на три группы (см. табл.).

          Химический состав широко распространённых
          инструментальных сталей, % в среднем

          Марка стали C Mn Si Cr W Mo V
          Стали с небольшой устойчивостью против нагрева
          Углеродистые стали
          У8А 0,8 0,25 0,25 £0,1
          У10А 1,0 0,25 0,25 £0,1
          У12А 1,2 0,25 0,25 £0,1
          У13А 1,3 0,25 0,25 £0,1
          Низколегированные стали
          9ХФ 0,9 0,4 0,25 0,55 0,2
          11ХФ 1,1 0,5 0,25 0,55 0,1
          13Х 0,3 0,4 0,25 0,55
          В2Ф 1,2 0,4 0,25 0,5 1,7 0,1
          Легированные стали
          Х 1,0 0,3 0,2 1,5
          ХВСГ 1,0 0,75 0,85 0,9 0,85 0,1
          7ХГ2ВМ 0,75 2,1 0,3 1,7 1,1 0,7 0,15
          6ХС 0,65 0,25 0,8 1,1
          Стали с повышенной устойчивостью против нагрева
          Х6ВФ 1,1 0,25 0,25 6 1,3 0,6
          Х6Ф4М 1,65 0,25 0,25 6 0,8 3,8
          X12М 1,55 0,25 0,25 12 0,5
          55Х6В3СМФ 0,55 0,25 0,8 6 3 0,8 0,8
          Стали, устойчивые против нагрева (штамповые стали)
          4Х52ВФС 0,4 0,25 1,0 5 2,0 0,8
          4Х3БМФС 0,4 0,35 0,8 3,5 1,0 1,4 0,7
          3Х2В8Ф 0,35 0,25 0,25 2,5 8,0 0,3
          2Х8В8М2К5 0,25 0,25 0,4 7,5 7,5 1,8 8,0

          Стали с небольшой устойчивостью против нагрева сохраняют высокую твёрдость до 150—200°C, применяются для резания мягких материалов с небольшой скоростью и для холодного деформирования. Углеродистые стали этой группы характеризуются малой прокаливаемостью — изделия диаметром (толщиной) более 15—20 мм получают при закалке высокую твёрдость (до 65 HRC) только в тонком поверхностном слое, сохраняя мягкую и вязкую сердцевину. Из-за повышенной деформации при закалке с охлаждением в воде из углеродистой стали изготовляют преимущественно инструменты простой формы — напильники, зенкеры, ручные метчики и др.

          Имеющие несколько лучшую прокаливаемость низколегированные стали используют для инструментов небольших сечений, от которых требуется высокая и равномерная твёрдость: ножовочных полотен для ручной резки металлов, лезвий бритв, круглых пил по дереву и др. Легированные стали этой группы обладают повышенной прокаливаемостью (от 25—100 мм) и применяются для измерительных инструментов, колец и шариков подшипников качения, штампов сложной формы и др.

          Стали с повышенной устойчивостью против нагрева сохраняют свои эксплуатационные свойства при нагреве до 250—400 °С. В основном это легированные стали с высоким содержанием хрома (до 12%). Они имеют повышенную износостойкость в условиях абразивного изнашивания, так как содержат в структуре до 20—30% карбидов хрома и ванадия высокой твёрдости: Me7C3 (1200—1400 HV) и MeC (2000 HV). После термической обработки (закалка с охлаждением на воздухе, в масле или в расплавленных солях с температурой 150—180 °С) они приобретают твёрдость до 63 HRC. Для этих сталей характерна высокая прокаливаемость (до 300—400 мм) и минимальные объёмные изменения при закалке. Из высокохромистых сталей изготовляют крупные штампы, испытывающие повышенный износ, стойкие в агрессивных средах хирургические инструменты и др.

          Стали, устойчивые против нагрева, сохраняют твёрдость до 560—700 °С. Основными легирующими элементами таких сталей, обеспечивающими их красностойкость, являются вольфрам и молибден. Стали, имеющие повышенное содержание углерода (0,7—1,5%) и высокую твёрдость (до 64—68 HRC), идут на изготовление режущего инструмента; стали с содержанием углерода до 0,4% (штамповые стали), имеющие более низкую твёрдость, но лучшую вязкость, применяют для штампов горячего деформирования, форм для литья металлов под давлением и др.

          Конструкционная сталь

          Конструкционная сталь, общее название группы сталей, предназначенных для изготовления строительных конструкций и деталей машин или механизмов. Конструкционная сталь, применяемая для строительных конструкций, должна обладать хорошей свариваемостью, в связи с чем содержание в ней углерода не должно превышать 0,25%; подразделяется на углеродистую и низколегированную (до 5% легирующих элементов) повышенной прочности, а также в зависимости от назначения — для мостостроения и каркасов высотных зданий.

          Конструкционная сталь, используемая в машиностроении, по химическому составу классифицируется на углеродистую и легированную (хромистая, хромоникелевая и др.);

          • по методу изготовления — на деформируемую и литейную;
          • по условиям работы — на конструкционную, жаропрочную, нержавеющую (коррозионностойкую), износостойкую.

          В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистую цементуемую сталь (0,1—0,25% С) и так называемую улучшаемую сталь (0,25—0,45% С); для некоторых деталей (например, пружин, рессор) применяется сталь с более высоким содержанием углерода (0,5—0,65% С).

          По степени легированности сталь для машиностроения делят на низко- (до 5% легирующих элементов), средне- (5—10%) и высоколегированную (более 10%). Детали машин, изготовленные из стали, как правило, подвергают термической обработке.

          В зависимости от значения и характера воспринимаемых деталью нагрузок к стали предъявляются требования необходимого уровня прочности (Sв может достигать 2,5—3 Гн/м2 (250—300 кгс/мм2)), пластичности, ударной вязкости, предела выносливости, свариваемости, прокаливаемости и др.

          Конструкционные стали и
          инструментальные материалы

          Стали, из которых изготовляют детали, узлы машин, механизмы, строительные конструкции, газо- и нефтепроводы, оружие и военную технику, обрабатывающие станки, экскаваторы, морские суда, бытовую технику и многое другое, называются конструкционными.

            Эти стали, в свою очередь подразделяют на несколько больших групп:

          3.1. Улучшаемые конструкционные стали.

          Термин «улучшаемые» сформировался от способа термической обработки – «улучшение». Это значит, что свойства этих сталей (прочность, ударную вязкость, усталостную прочность) можно варьировать (улучшать) в широких пределах термической обработкой, заключающейся в закалке и последующем высоком или среднем отпуске.

          Это, как правило, среднеуглеродистые (0,25-0,6%С), малолегированные ( £ 3% легирующих элементов в сумме) или среднелегированные (3-10% легирующих элементов) стали (табл.3).

          Основные марки улучшаемых конструкционных сталей.

          среднелегированные стали
          ГОСТ ГОСТ 4543-71

          30Г, 50Г, 60Г, 65Г

          Данные углеродистые стали поставляются металлургической промышленностью в виде поковок (ГОСТ 8479-70); сортового проката (ГОСТ 19903-74); проволоки (ГОСТ 17305-71) и др.

          Легированные стали (II и III) поставляются в виде поковок (ГОСТ 2590-71); сортового проката (ГОСТ 2590-71); полосы (ГОСТ 103-76); листа (ГОСТ 19903-74) и др.

          Улучшаемые стали в конструкциях должны обеспечивать необходимые показатели прочности ( s в – предел прочности; s 0.2 – предел текучести), пластичности ( d % — относительное удлинение; Y % — поперечное сужение), усталостной прочности — s -1 ; ударной вязкости – КС U ; твердости НВ, Н R с по всему сечению детали.

          Основными принципами при выборе марки улучшаемой конструкционной стали являются следующие показатели:

          1. Наличие концентраторов напряжений, динамических нагрузок и пониженных температур определяет необходимость легирования элементами, снижающими температуру перехода в хрупкое состояние, например, никелем.

          2. Выбор марки стали (степени легированности) определяется размером термически обрабатываемых заготовок (прокаливаемостью).

          3. Уровень требуемой прочности достигается термической обработкой.

          Хладноломкость улучшаемых сталей

          С понижением температуры эксплуатации показатели пластичности и ударной вязкости данных сталей понижаются.

          Таким образом, сталь при низких температурах может переходить в хрупкое состояние и склонна к разрушениям, особенно при работе с динамическими нагрузками.

          При неправильном выборе стали для эксплуатации при низких температурах имели случаи катастрофических разрушений газопроводов (Аляска), кранов и экскаваторов (Якутия), транспортных машин (Таймыр) и др.

          Критерием работоспособности сталей при низких температурах является порог хладноломкости – температура перехода стали из вязкого в хрупкое состояние (рис.20).

          Представленные данные свидетельствуют о том, что при прочих равных условиях никелесодержащие стали переходят в хрупкое состояние при более низких температурах; в том же направлении влияет и Мо.

          Например, если силовой редуктор работает на предприятии при 20 0 С, шестерню можно изготовить из стали 40, а если коробка передач работает в Якутии (до –60 0 С), шестерни надо изготавливать из стали 40ХНМА.

          Кроме того, чем меньше размер зерна в стали, тем ниже порог хладноломкости (рис. 21).

          Чтобы предотвратить хрупкие разрушения деталей, работающих при динамических нагрузках, да еще при пониженных температурах, необходимо выбирать никель- и молибденосодержащие стали, а термической обработкой обеспечивать получение мелкозернистой структуры. Кроме того, количество вредных примесей (S, Р) должны быть в этой стали минимальными. В этом смысле сталь 40ХНА лучше стали 40ХН, а сталь 4ХНМА лучше, чем сталь 40ХНМ.

          Прокаливаемость улучшаемых сталей

          Для того, чтобы механические свойства по всему сечению детали (вал, тяга, ось и др.) были одинаковыми, сталь должна прокаливаться на все сечение, диаметр детали. Прокаливаемость зависит от содержания легирующих элементов и охлаждающей способности среды.

          Прокаливаемость оценивают величиной критического диаметра — максимального диаметра, в мм, прутка из соответствующей стали, в котором по всему сечению после закалки образуется не менее 50% мартенсита.

          В таблице 4 представлен dкр для наиболее часто применяемых сталей.

          Критический диаметр прокаливаемости улучшаемых сталей

          Температура нагрева под закалку, 0 С

          Из таблицы следует, что все легирующие элементы, особенно Ni, повышают прокаливаемость, а в воде прокаливать насквозь удается деталь большого сечения, диаметра, чем в масле. Однако, закаливать в воде легированные стали не рекомендуется, из-за опасности получения деформаций, трещин.

          Например, если требуется спроектировать и изготовить ответственную деталь, от которой требуются высокие механические свойства, однородные по всему сечению, например, штангу диаметром 100 мм, следует выбрать сталь 40ХН2МА (см. табл.3). Стали с меньшей степенью легированности не обеспечат требуемое свойство по всему сечению, с большей — обеспечат свойства, но будут более дорогими.

          Режимы термической обработки улучшаемых сталей

          Упрочняющая термическая обработка осуществляется путем закалки и последующего высокого или среднего отпуска. При этом, если выбор температуры нагрева для углеродистых сталей определяют из диаграммы Fe-С, то для легированных сталей эта температура несколько выше, так как получение легированного аустенита при наличии элементов Cr , Mo , V идет при более высоких температурах. В этом случае пользуются справочными данными.

          Температуру отпуска выбирают в зависимости от показателей прочности и пластичности, необходимых для той или иной детали. Например, такая зависимость для сталей 40ХН показана на рис.22.

          На чертежах вместо требований к прочности детали обычно указывают твердость. При этом можно пользоваться соотношением (приближенным):

          НВ = 10Н R Сэ = 0,0385 s в (МПа).

          Имеется и эмпирическое соотношение (взаимосвязь) между показателями прочности, пластичности и усталостной прочностью при кручении: s -1 = 0,3 s в (0,29 + 0,39 Y ) (МПа), а t -1 = 0,65 s -1,

          где: s -1 – предел усталости при изгибе;

          t -1 – предел усталости при кручении;

          y — относительное поперечное сужение, %.

          Например, если согласно рис.22 s в стали 40ХН = 1020 МПа; а Y = 41%, предел усталости стали 40ХН после закалки и отпуска при 600 0 С, будет соответствовать 14 МПа:

          s -1 = 0,3 × 1020 (0,29 + 0,39 × 0,41) = 14 МПа.

          Улучшаемые стали в изделиях, например, шестерни часто подвергаются поверхностной закалке с последующим низким отпуском. В этом случае полный режим термической обработки включает улучшение и затем поверхностную закалку.

          Последовательность механической и термической обработок в этом случае выглядит следующим образом:

          1. Изготовление заготовки шестерни методом объемной штамповки с последующим отжигом (НВ = 172 ед.).

          2. Улучшение: закалка от 820 0 С в масле и далее отпуск при 600 0 С, (НВ = 241 ед.).

          3. Предварительная механическая обработка заготовки шестерни.

          4. Поверхностная закалка на глубину 2..3 мм и низкий отпуск 220 0 С, (НRс= 56..62 ед.).

          5. Окончательная механическая обработка шестерни, включая шлифование зуба в размер.

          Такой маршрут обработки позволяет улучшить свойства «тела» шестерни, придать высокую износостойкость зубу шестерни и получить замечательное сочетание показателей пластичности, прочности и износостойкости данного изделия.

          Следует обратить внимание на то, что свариваемость улучшаемых сталей затруднена, однако возможна при использовании специальных мер и сопутствующих обработок.

          3.2.Цементуемые конструкционные стали.

          Назначение этой группы сталей — обеспечивать в изделии высокую поверхностную твердость, износостойкость, высокую пластичность и ударную вязкость сердцевины изделия (шлицевые валы, шестерни, шнеки, червячные передачи и многое другое).

          Эти стали всегда являются малоуглеродистыми, например: сталь 10, 15, 15Х, 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ, 12Х2Н4ВА, 18Х2Н4ВА, 25Х2Г2НТРА и др., детали из них подвергаются цементации.

          Однако собственно цементация еще не обеспечивает высокой твердости науглероженного слоя. Для этого необходима закалка с низким отпуском (рис.23).

          Те поверхности изделия, которые не требуют цементации, предварительно покрывают медью (диффузионный барьер), которая исключает проникновение углерода в деталь.

          Цементация и последующая закалка преследует ту же цель, что и поверхностная закалка, однако, износостойкость цементованных поверхностей существенно выше, стоимость этой обработки тоже выше (см. рис.19). Однако качество всегда и везде превыше всего.

          Цементация особенно эффективна для сталей, содержащих сильные карбидообразующие легирующие элементы, такие как Мо, V, Ti, W, потому, что непосредственно в процессе цементации эти элементы, соединяясь с углеродом, образуют очень твердые и износостойкие карбиды: Мо2С, VC, TiC, WC.

          Поэтому, среди выше перечисленных цементуемых сталей наиболее износостойкими после цементации и последующей закалки с низким отпуском будут стали марок 12Х2Н4ВА и 18Х2Н4ВА. Эти же стали являются и самыми дорогими, так как содержат 4% и до 1% очень дорогого вольфрама. Повышение степени легированности стали позволяет существенно повысить прочность сердцевины деталей.

          3.3. Пружинно-рессорные стали.

          Эти стали подразделяются на 2 группы: стали общего и специального назначения.

          К ним предъявляется достаточно широкий спектр требований, главные из которых — повышенный предел упругости и высокая усталостная прочность. Для сталей специального назначения предъявляются требования по коррозионным свойствам, теплостойкости, немагнитности, повышенным демпфирующим свойствам и др.

          Пружинно-рессорные стали общего назначения — это стали углеродистые с содержанием углерода 0,5..0,85% (сталь 65, 70, 75, 85), малолегированные (сталь 60Г, 65Г, 70Г, 50С2А, 60С2А, 50ХФА, 65С2ВА и др.). Химический состав этих сталей регламентирован ГОСТ 14959-79.

          Пружины изготовляют витыми из проволоки, ленточными, тарельчатыми, а рессоры – из полосы соответствующего профиля.

          Используются пружины и рессоры весьма широко: в автомобиле, например, их не менее 100, в самолете – тысячи.

          Цилиндрические пружины из проволоки навивают на автоматах из патентированной проволоки. Патентирование – это изотермическая закалка в потоке, далее возможна холодная пластическая деформация волочением с отжатием 20 — 30% и отпуск 350..450 0 С на твердость 400 — 450 НВ.Схема такого процесса представлена на рис.24.

          Такой процесс обработки осуществляется на специальных поточных линиях.

          Массивные пружины (например, подвеска автомобиля) упрочняют закалкой с последующим средним отпуском.

          Особенности обработки рессор для обеспечения необходимой кривизны заключаются в том, что их закалку осуществляют в специальных закалочных прессах, что исключает деформации, поводки.

          Режим термической обработки рессоры автомобиля ГАЗ-24 из стали 65Г представлен ниже.

          1. Закалка от 830 0 С, (выдержка 15′) в масле, в прессе.

          2. Отпуск при 450 0 С, 2 ч.

          При этом в целях предотвращения деформаций закалку проводят в специальных прессах.

          Пружинно-рессорные стали специального назначения подразделяют на следующие группы:

          нержавеющие: 40Х13, 40Х14Ф, 65Х13 (ГОСТ 5632-72) – упрочняемые закалкой от 1000 0 С в масле с последующим средним отпуском (400..500 0 С). Высокая температура нагрева под закалку необходима для растворения карбидов хрома Сr4С и получения перед охлаждением при закалке однородного аустенита;

          -жаростойкие и теплостойкие стали: 40Х9С2, 40Х10С2М, из которых изготавливают клапаны, клапанные пружины двигателей автомобилей, тракторов, танков, колосники, упрочняются закалкой от 1000 0 С (масло) и отпуску при 450-550 0 С;

          — высокопрочные мартенситно-стареющие стали: 07Х16Н4Б, 09Х17Н7Ю, 03Х10Н11М2Т. После закалки от 1000 0 С эти стали имеют мартенситную структуру, но этот мартенсит мягок, так как углерода в нем мало ( 0 С, 2 ч и вследствие выделения дисперсных интерметаллидов, например Ni3Ti, NiAl, пружина упрочняется до НRс = 40..50 ед.

          Следует отметить, что стали данной группы применяются не только для изготовления специальных пружин, но и в качестве конструкционных сталей в самых разных областях техники.

          На работоспособность пружин и рессор существенное влияние оказывает состояние поверхности (уменьшение шероховатости и поверхностный наклеп повышают сопротивление усталости, обезуглероживание – снижает).

          3.4. Стали для подшипников качения.

          От этих сталей требуется высокая твердость (62-65 HRc) и износоустойчивость, что достигается высоким содержанием углерода ( ~ 1%) и термообработкой. Достаточная глубина прокаливаемости обеспечивается легированием хрома.

          Поэтому из стали ШХ6 и ШХ9 делают мелкие шарики и ролики диаметром до 13 мм, из стали ШХ15 до 22 мм, из стали ШХ15СГ до 30 мм. Стали ШХ15 и ШХ15СГ используются также для изготовления колец.

          Термообработка деталей подшипников состоит из закалки от 840-860 0 С в масле с низким отпуском (150-160 0 С). Для наиболее ответственных деталей иногда после закалки проводят обработку холодом.

          Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют сталь с высоким содержанием хрома марки 95Х18, которая после закалки от 1000-1050 0 С в масле и отпуска при 200 0 С обеспечивает твердость 58-62 HRc и высокую коррозионную стойкость в ряде органических сред и слабых кислот.

          3.5. Автоматные стали

          Автоматные стали предназначены для изготовления изделий массового производства, обрабатываемых на станках-автоматах, автоматических линиях (гайки, болты, оси, шпильки, валики и др.). Эти стали хорошо обрабатываются режущими инструментами благодаря повышенному содержанию в них S, Р, Рв. Дисперсные сернистые включения (сульфиды) по существу нарушают сплошность металла и этим обеспечивает хорошее отделение стружки при резании (стружка скола осыпается, а не навивается на деталь, инструмент).

          Содержание S в автоматных сталях не должно превышать 0,2%, Рв–0,1% из-за существенного снижения свойств, повышения порога хладноломкости. Поэтому автоматные стали применяют для деталей, не испытывающих повышенных нагрузок в эксплуатации.

          ГОСТ 1414-75 регламентирует химический состав автоматных сталей: А12, А20, А30, А40Г (А – автоматная сталь, а цифра – сотые доли %С).

          Термическая обработка с целью упрочнения этих сталей, как правило, не применяется. Легированные автоматные стали (АС12ХН, АС35Г2, АС30ХМ, АС40ХГНМ) упрочняются термической обработкой (закалка от 830..900 0 С в масле и отпуск на требуемую твердость).

          Показатели прочности этих сталей соответствуют аналогичным конструкционным, но пластичность их из-за повышенных S, Р в 1,5..2 раза ниже. Тем не менее из легированных автоматных сталей изготовляют венцы зубчатых синхронизаторов автомобилей, червяки, фланцы, рычаги переключения передач, шестерни коленвала, втулки, валы и др.

          3.6. Строительные стали.

          Строительные стали классифицируют по ряду признаков:

          — по назначению: арматурная, мостовая, котельная, судостроительная, для автомобильных рам и т.п.;

          — по химическому составу: углеродистые и низколегированные;

          — по свариваемости: свариваемая и плохо свариваемая.

          Подавляющее большинство строительных конструкций изготовляют с применением сварки. Наиболее вредно при сварке влияет углерод, менее вредно легирующие элементы. Поэтому свариваемые строительные стали, как правило, содержат не более 0,2% углерода. Для оценки свариваемости строительной стали введена специальная величина – углеродный эквивалент (СЭ).

          Мn+ (Сr + Mo + V) + (Ni + Cu)
          СЭ= С + ---- ----------- --------
          6 5 15

          где химическими значками обозначены содержания элементов в %.

          Наиболее широко для металлических конструкций применяется углеродистая сталь обыкновенного качества Ст3. Для конструкций менее ответственных (ограждения, перила, лесенки) в обогреваемых помещениях применяют более дешевую Ст3КП.

          Углеродистые стали обыкновенного качества сравнительно дешевы, технологичны, но имеют невысокую прочность. Поэтому конструкции из них получаются более металлоемкие, чем из низколегированных, обладающих более высокой прочностью.

          Наиболее распространенные свариваемые низколегированные стали: 09Г2, 09Г2Ф, 14Г2, 19Г, 18Г2, 16Г2С, 14ХГС, 15ГФ, 15Г2АФ.

          Природно-легированные стали с небольшим содержанием никеля и меди марок 15ХСНД и 12ХСНД имеют повышенную коррозионную стойкость и применяются для железнодорожных мостов.

          В сталях для арматуры содержание углерода более высокое (35ГС, 30ХГ2С, 65ГС), сварка их затруднена, но зато они имеют более высокую прочность.

          Строительные стали, как правило, используются без упрочняющей термообработки (в редких случаях их поставляют в нормализованном состоянии).

          4. Инструментальные материалы

          4.1. Классификация инструментальных материалов по назначению

          Разнообразные виды инструментов по условиям работы можно классифицировать на режущий инструмент (резцы, фрезы, сверла, протяжки и т.п.) и инструмент для обработки давлением (штампы холодной и горячей штамповки). В соответствии с этим материалы для инструментов подразделяют на 2 основные группы: материалы для режущего инструмента и материалы для инструментов, применяемых при обработке давлением.

          4.2. Материалы для режущего инструмента.

          В качестве материала для режущего инструмента используют углеродистые и легированные инструментальные стали, быстрорежущие стали, металлокерамические материалы (твердые сплавы), минералокерамические материалы, алмаз.

          Применение более совершенных инструментальных материалов позволяет ускорить процесс обработки резанием. На рис.25 показана зависимость времени, затрачиваемого на обтачивание поверхности валика за один проход от используемого инструментального материала (по годам), а на рис.26 — зависимость максимальной скорости резания от теплостойкости материала инструмента.

          Теплостойкость – максимальная температура, до которой инструмент может нагреваться при работе без резкого снижения твердости и режущих свойств. Увеличение скорости резания сопровождается повышением температуры.

          4.2.1. Основные требования.

          Материал инструмента должен быть таким, чтобы:

          — инструмент не разрушался под действием возникающих нагрузок;

          — в процессе работы инструмент не имел значительных остаточных деформаций;

          — в процессе эксплуатации поверхность инструмента не изменялась как можно дольше и была износо- и коррозионностойкой.

          Поэтому основные требования к материалам для режущего инструмента следующие:

          — высокая конструкционная прочность;

          — твердость, достаточная для обеспечения процесса (не менее 60HRC).

          — технологичность (необходимая для изготовления инструментов сложной формы);

          — экономичность (минимальное содержание дефицитных и дорогостоящих легирующих добавок).

          Поэтому использование материала обычно ставится в зависимость от тех скоростей, которые применяются в производстве. Если углеродистая и низколегированная стали позволяют инструменту работать с небольшими скоростями, порядка 10-15 м/мин ( n 1, см. рис. 25), что ограничивается теплостойкостью в пределах 200-300 0 С, то применение быстрорежущих сталей позволило инструменту работать при скоростях 25-30 м/мин ( n 2 ), что обеспечивается теплостойкостью этих сталей до 600-650 0 С. Применение твердых сплавов позволило увеличить скорость резания до 100 м/мин ( n 3 ), доводя ее в ряде случаев до 200 м/мин и более, что обеспечивает их теплостойкость до 800-900 0 С.

          В настоящее время успешно работают керамические материалы, обеспечивающие скорость резания 200-300 м/мин ( n 4 ), за счет теплостойкости 1200 0 С.

          Причиной ограниченности срока службы инструмента в большинстве случаев является срабатывание рабочих поверхностей и съем с них материала в результате износа.

          В связи с этим инструментальные материалы должны обладать при соответствующей нагрузке максимально высокой износостойкостью.

          Износостойкость характеризуется отрезком времени при непрерывной работе инструмента, в течение которого износ инструмента достигает определенной величины.

          Износ не имеет четко выраженного характера (только механического, или физического, или химического), в большинстве случаев он является результатом одновременного действия разных видов износа. При обработке твердых материалов резанием срабатывание инструмента преимущественно происходит в результате абразивного (микроскола) и адгезионного (холодная сварка) износа.

          В тесной связи с износостойкостью находится режущая способность инструмента. При формообразовании путем резания металлов (точение, сверление и т.д.) режущая способность вследствие износа снижается. Установлено, чем выше твердость, тем выше износостойкость, однако при этом обычно снижается вязкость инструмента и увеличивается опасность хрупкого излома.Поэтому в зависимости от требуемой вязкости для того или иного инструмента существует граница повышения износостойкости.

          Износостойкость зависит не только от твердости, но и от количества карбидов в инструментальном материале. Однако при содержании в сталях >25% (по объему) карбидов достигается граница деформируемости, и резко возрастает склонность к хрупкому разрушению. Поэтому такой путь возможен только для инструментов простой формы, и не подверженных растягивающим нагрузкам.

          Так как повышение износостойкости ограничивается химическим составом или термической обработкой, предпринимаются попытки повысить стойкость инструмента изменением поверхностного слоя. Хорошо показали себя твердое хромирование, азотирование и цементирование.Применяется также нанесение на поверхность инструмента карбида и нитрида титана. При этом износостойкость режущих инструментов возрастает в 4 раза.

          Эксперименты по влиянию легирующих элементов на износостойкость показали, что наиболее сильно влияет на ее увеличение ванадий.

          4.2.2.Инструментальные стали.

          Углеродистые инструментальные стали обладают достаточно высокой прочностью и твердостью, но теряют эти качества уже при 180-200 0 С. Поэтому их применяют в основном для изготовления ручного инструмента.

          Буква У в марке стали обозначает – углеродистая, цифра – содержание углерода в десятых долях процента, буква А (в конце марки) – высококачественная, с содержанием серы и фосфора не более 0,03%, буква Г – марганцовистая.

          В таблице 5 приведены марки углеродистых сталей, применяемых для изготовления режущего инструмента.

          Углеродистые стали для режущего инструмента.

          Легированные инструментальные стали имеют более высокую теплостойкость 350-400 0 С. Однако и их применение оправдано лишь при небольших скоростях резания.

          В таблице 6 приведены марки таких сталей и область их применения.

          Быстрорежущие стали легированы вольфрамом, хромом, ванадием и молибденом. Имеют высокую прочность, твердость и красностойкость. Они не теряют свои режущие свойства при нагреве до 600-670 0 С. Маркируются буквой Р и числом, показывающим среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание других элементов показывают цифры, проставляемые за буквами соответствующих элементов.

          Быстрорежущие стали подразделяются на 2 группы

          1. Стали нормальной производительности (Р18, Р9, Р12М3, Р18Ф2), пригодные для обработки с высокой скоростью резания чугуна и конструкционных сталей с твердостью до 260-280 НВ.

          2. Стали повышенной производительности (Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р10К5Ф5), пригодные для обработки материалов указанной выше твердости со скоростью резания большей на 5-10%.

          Инструментальная быстрорежущая сталь Р18 обладает высокой красностойкостью, твердостью в горячем состоянии и износостойкостью, а также хорошей вязкостью и удовлетворительной шлифуемостью.

          Основные свойства распространенных марок быстрорежущих сталей по сравнению с Р18 и их примерное назначение представлены в табл.7.

          Легированные стали для режущего инструмента.

          НRС после термообработки

          Как отличить конструкционную сталь от инструментальной по марке

          По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:

          1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380–2005). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 1). Буквы «Ст» обозначают «Сталь». Цифра – условный номер марки в зависимости от химического состава. Если в конце марки стоят буквы «кп» – это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если «сп» – сталь спокойная, получаемая полным раскислением (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если «пс» – сталь полуспокойная промежуточного типа. Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения, в судостроении могут применять как корпусные.

          Химический состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380–2005

          2. Стали конструкционные нелегированные (углеродистые) качественные (ГОСТ 1050–2013).

          К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента (табл. 2). Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %. Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.

          Сводные данные по содержанию углерода и механическим свойствам нелегированных (углеродистых) качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050–2013)

          1. Нормы механических свойств указаны для проката диаметром или толщиной до 80 мм в нормализованном состоянии.

          2. Ударная вязкость сталей определяется после улучшения (закалки и высокого отпуска).

          3. Значения твердости приведены для горячекатаного проката без термической обработки.

          Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки и т.п.). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы и т.п.), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.

          Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50, 55), обладающие после термической обработки хорошим комплексом механических свойств, применяются для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес и т.п.).

          Высокоуглеродистые стали (55, 60) обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы, пружины и т.п.

          3. Стали нелегированные (углеродистые) инструментальные качественные и высококачественные (ГОСТ 1435–99).

          Эти стали маркируются буквой У, что означает углеродистая сталь, и следующими за ней цифрами, показывающими среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 3). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква «А», это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки. Заэвтектоидные стали (У9, У10, У12) обычно применяют для режущих инструментов (слесарные шаберы, ручные метчики, ножовки, напильники и т.п.) Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, молотки и т. п. изготавливают из сталей У7 и У8.

          Химический состав нелегированных (углеродистых) инструментальных качественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435–99
          Начало страницы

          Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского. Кафедра технологии материалов

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *