Долговечность и надежность механизмов зависят от материала, из которого они были изготовлены, то есть от совокупности всех его свойств и особенностей, которые и определяют эксплуатационные характеристики. На сегодняшний день большинство узлов и деталей машин производят из различных марок сталей. Рассмотрим этот материал более подробно.
Что такое сталь
Сталь - это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%. Если углерода больше, то этот сплав относится к чугунам.
Но сталь - это не только химически чистое соединение двух элементов, она содержит как вредные примеси, например серу и фосфор, так и специальные добавки, которые придают нужные свойства материалу - повышают прочность, улучшают обрабатываемость, пластичность и т. д.
Если в сплаве углерода менее 0,025% и содержится незначительное количество примесей, то его считают техническим железом. Этот материал отличается от сталей по всем показателям, он обладает высокими магнитными характеристиками, и его используют в качестве для изготовления электротехнических элементов. Чистого железа в природе не существует, получить его даже в лабораторных условиях очень сложно.
Несмотря на то что углерода в процентном отношении содержится совсем немного, он оказывает значительное влияние на механические и технические свойства материала. Увеличение этого вещества приводит к увеличению твердости, растет прочность, но при этом резко снижается пластичность. И, как следствие, меняются технологические характеристики: с ростом углерода снижаются литейные свойства, ухудшается обрабатываемость резанием. При этом низкоуглеродистые стали также плохо обрабатываются резанием.
Получение стали. Металловедение
Сталь - это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.
Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.
Студенты профильных ВУЗов проходят специальный курс «Промышленные стали», где подробно разбирают сплавы специального назначения: строительные, улучшаемые, цементируемые, для режущих и измерительных инструментов, магнитные, рессорно-пружинные, жаростойкие, стали для конструкций в холодном климате и т. д.
Классификация сталей по качеству
Все стали по качеству подразделяют на:
Сталь обыкновенного качества;
Качественная;
Сталь повышенного качества;
Высококачественная.
Качество стали напрямую зависит от процента содержания вредных примесей (состав) и соответствия заявленным механическим и технологическим характеристикам. В промышленности используются все виды, но по разным направлениям: стали обыкновенного качества - для неответственных деталей, стали повышенного качества и высококачественные - в конструкциях, к которым предъявляются особые требования.
Стали по ГОСТ: классификация
Сталь. Свойства: таблицы для самых распространенных марок с основными механическими и технологическими характеристиками
Марка стали | Механические свойства | Технологические свойства |
||||
Обрабатываемость резанием | Свариваемость | Пластичность при холодной обработке давлением |
||||
горячекатанная | ||||||
Н - низкая;
У- удовлетворительная;
В - высокая;
σт - физический предел текучести, МПа;
σв - предел прочности при растяжении, МПа;
δ - относительное удлинение, %.
Классификация стали
Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Это важнейший материал, который применяется в большинстве отраслей промышленности. Существует большое число марок сталей, различающихся по структуре, химическому составу, механическим и физическим свойствам. Посмотреть основные виды продукции металлопроката и ознакомиться с ценами можно .Основные характеристики стали:
- плотность
- модуль упругости и модуль сдвига
- коэффициент линейного расширения
- и другие
Марки стали углеродистой
Углеродистая сталь обыкновенного качества в зависимости от назначения подразделяется на три группы:
- группа А - поставляемая по механическим свойствам;
- группа Б - поставляемая по химическому составу;
- группа В - поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.
Примерный химический состав нержавеющей стали (в %) Дамасская и булатная сталь. Дамасская сталь - первоначально то же, что и булат; позднее - сталь, полученная кузнечной сваркой сплетенных в жгут стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода. Название получила от города Дамасск (Сирия), где производство этой стали было развито в средние века и, отчасти, в новое время.Булатная сталь (булат) - литая углеродистая сталь со своеобразной структурой и узорчатой проверхностью, обладающая высокой твердостью и упругостью. Из булатной стали изготовляли холодное оружие исключительной стойкости и остроты. Булатная сталь упоминается еще Аристотелем. Секрет изготовления булатной стали, утерянный в средние века, раскрыл в XIX веке П.П.Аносов. Опираясь на науку, он определил роль углерода как элемента, влияющего на качество стали, а также изучил значение ряда других элементов. Выяснив важнейшие условия образования лучшего сорта углеродистой стали - булата, Аносов разработал технологию его выплавки и обработки (Аносов П.П. О булатах. Горный журнал, 1841, № 2, с.157-318).Плотность стали, удельный вес стали и другие характеристики стали Плотность стали - (7,7-7,9)*10 3 кг /м 3 ;Удельный вес стали - (7,7-7,9) г /cм 3 ;Удельная теплоемкость стали при 20°C - 0,11 кал/град;Температура плавления стали - 1300-1400°C ;Удельная теплоемкость плавления стали - 49 кал/град;Коэффициент теплопроводности стали - 39ккал/м*час*град;Коэффициент линейного расширения стали (при температуре около 20°C) : сталь 3 (марка 20) - 11,9 (1/град); сталь нержавеющая - 11,0 (1/град).Предел прочности стали при растяжении : сталь для конструкций - 38-42 (кГ/мм 2); сталь кремнехромомарганцовистая - 155 (кГ/мм 2); сталь машиноподелочная (углеродистая) - 32-80 (кГ/мм 2); сталь рельсовая - 70-80 (кГ/мм 2);Плотность стали, удельный вес сталиПлотность стали - (7,7-7,9)*10 3 кг /м 3 (приблизительно 7,8*10 3 кг /м 3);Плотность вещества (в нашем случае стали) есть отношение массы тела к его объему (другими словами плотность равна массе единицы объема данного вещества):d=m/V, где m и V - масса и объем тела.За единицу плотности принимают плотность такого вещества, единица объема которого имеет массу, равную единице:
в системе СИ это 1 кг /м 3 , в системе СГС - 1 г /см 3 , в системе МКСС - 1 тем /м 3 . Эти единицы связаны между собой соотношением:1 кг /м 3 =0,001 г /см 3 =0,102 тем /м 3 .Удельный вес стали - (7,7-7,9) г /cм 3 (приблизительно 7,8 г /cм 3);Удельный вес вещества (в нашем случае стали) есть отношение силы тяжести Р однородного тела из данного вещества (в нашем случае стали) к объему тела. Если обозначить удельный вес буквой γ , то:γ=P/V .С другой стороны, удельный вес можно рассматривать, как силу тяжести единицы объема данного вещества (в нашем случае стали). Удельный вес и плотность связаны таким же соотношением, как вес и масса тела:γ/d=P/m=g.За единицу удельного веса принимают: в системе СИ - 1 н /м 3 , в системе СГС - 1 дн /см 3 , в системе МКСС - 1 кГ/м 3 . Эти единицы связаны между собой соотношением:1 н /м 3 =0,0001 дн /см 3 =0,102 кГ/м 3 .Иногда используют внесистемную единицу 1 Г/см 3 .Так как масса вещества, выраженная в г , равна его весу, выраженному в Г, то удельный вес вещества (в нашем случае стали), выраженный в этих единицах, численно равен плотности этого вещества, выраженной в системе СГС.Аналогичное численное равенство существует и между плотностью в системе СИ и удельным весом в системе МКСС.
Плотность стали Модули упругости стали и коэффициент Пуассона
Величины допускаемых напряжений стали (кГ/мм 2) Свойства некоторых электротехнических сталей Нормируемый химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-71
| Марка стали | Содержание элементов, % | ||||
| C | Mn | Si | P | S | |
| не более | |||||
| Ст0 | Не более 0,23 | - | - | 0,07 | 0,06 |
| Ст2пс Ст2сп |
0,09...0,15 | 0,25...0,50 | 0,05...0,07 0,12...0,30 |
0,04 | 0,05 |
| Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст3Гпс |
0,14...0,22 | 0,30...0,60 0,40...0,65 0,40...0,65 0,80...1,10 |
не более 0,07 0,05...0,17 0,12...0,30 не более 0,15 |
0,04 | 0,05 |
| Ст4кп Ст4пс Ст4сп |
0,18...0,27 | 0,40...0,70 | не более 0,07 0,05...0,17 0,12...0,30 |
0,04 | 0,05 |
| Ст5пс Ст5сп |
0,28...0,37 | 0,50...0,80 | 0,05...0,17 0,12...0,35 |
0,04 | 0,05 |
| Ст5Гпс | 0,22...0,30 | 0,80...1,20 | не более 0,15 | 0,04 | 0,05 |
| Марка стали | Предел прочности (временное сопротивление) σ в, МПа |
Предел текучести σ т, МПа | Относительное удлинение коротких образцов δ 5 , % | Изгиб на 180° при диаметре оправки d | ||||
| толщина образца s, мм | ||||||||
| до 20 | 20...40 | 40...100 | до 20 | 20...40 | 40...100 | до 20 | ||
| Ст0 | 310 | - | - | - | 23 | 22 | 20 | d=2s |
| ВСт2пс ВСт2сп |
340...440 | 230 | 220 | 210 | 32 | 31 | 29 | d=0 (без оправки) |
| ВСт3кп ВСт3пс ВСт3сп ВСт3Гпс |
370...470 380...490 380...500 |
240 250 250 |
230 240 240 |
220 230 230 |
27 26 26 |
26 25 25 |
24 23 23 |
d=0,5s |
| ВСт4кп ВСт4пс ВСт4Гсп |
410...520 420...540 |
260 270 |
250 260 |
240 250 |
25 24 |
24 23 |
22 21 |
d=2s | ВСт5пс ВСт5сп ВСт5Гпс |
500...640 460...600 |
290 290 |
280 280 |
270 270 |
20 20 |
19 19 |
17 17 |
d=3s |
Сталь. Виды и марки стали. Их применение.
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
По способу производства и содержанию примесей сталь различается:
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.
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.
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:
спокойная сталь (ст3сп) - полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,
полуспокойная сталь (ст3пс) - по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,
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)
Марки стали
Марка стали С245 - Ст3пс5
Марка стали С255 - Ст3сп5
Марка стали С235 - Ст3кп2
Марка стали С345 - 09Г2С
 |
 |
Ромашкин А.Н.
Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.
99% всей стали - материал конструкционный в широком смысле слова: включая стали для строительных сооружений, деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы - теплостойкие, нержавеющие, и т.п. Его главные качества - прочность (способность выдерживать при работе достаточные напряжения), пластичность (способность выдерживать достаточные деформации без разрушения как при производстве конструкций, так в местах перегрузок при их эксплуатации), вязкость (способность поглощать работу внешних сил, препятствуя распространению трещин), упругость, твердость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.
Для изготовления подшипников широко используют шарикоподшипниковые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ. Шарикоподшипниковые стали обладают высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью.
Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям - это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению (55С2, 60С2А, 50ХФА, 30Х13, 03Х12Н10Д2Т).
Высокопрочные стали имеют высокую прочность при достаточной пластичности (среднеуглеродистая легированная сталь 40ХН2МА), высокой конструктивной прочностью, малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению, низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью.
Классификация сталей и сплавов производится:
- по химическому составу;
- по структурному составу;
- по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей);
- по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице;
- по назначению.
Химический состав
По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:
- малоуглеродистые - менее 0,3% С;
- среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С;
- высокоуглеродистые - более 0,7 %С.
Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Сr, Ni, Мо, Wo, V, Аl, В, Тl и др.), а также Mn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.
В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:
- низколегированные - менее 2,5%;
- среднелегированные - 2,5...10%;
- высоколегированные - более 10%.
Структурный состав
Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:
- в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
- в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аутенитный.
К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.
Классификация стали по содержанию примесей
По качеству, то есть по способу производства и содё примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы
Классификация сталей по качеству
| Группа | S, % | Р, % |
| Обыкновенного качества (рядовые) | менее 0,06 | менее 0,07 |
| Качественные | менее 0,04 | менее 0,035 |
| Высококачественные | менее 0,025 | менее 0,025 |
| Особовысококачественные | менее 0,015 | менее 0,025 |
Стали обыкновенного качества
Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Ст5кп.
Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.
Стали качественные
Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20). Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более стро-гих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.
Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.
Стали высококачественные
Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.
Стали особовысококачественные
Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.
Классификация стали по назначению
По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.
Конструкционные стали
Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.
Строительные стали
К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные 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 низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.
Цементируемые стали
Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).
Улучшаемые стали
К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению - 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), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.
Высокопрочные стали
Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях - таких, как ЗОХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ.
Пружинные стали
Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).
Подшипниковые стали
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).
Автоматные стали
Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.)> обрабатываемых 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 железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных 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, 20Х17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 - для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);
- ферритной (15X28) - для растворов азотной и фосфорной кислот;
- аустенитной (12Х18НЮТ) - в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;
- мартенситно-стареющей (ЮХ17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфорной, уксусной и молочной кислотах.
Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.
Коррозионно-стойкие стали
Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.
Жаропрочные стали
Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Со и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, иодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):
при 400-550°С - 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;
при 500-600°С - 15Х5М, 40ХЮС2М, 20X13;
при 600-650°С - 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, ЮХЦН23ТЗМР,
ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.
Жаростойкие стали
Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при. 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Cr до +130СГС. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.
Криогенные стали
Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Cr, N1, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18НЮ, 12Х18НЮТ, ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АП9 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вяз-кость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.
Инструментальные стали
Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.
Стали для режущих инструментов
Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.
Углеродистые инструментальные стали
Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок У7, У7А, У13, У13А. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.
Легированные инструментальные стали
В данную группу сталей входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость - до +300°С. Наиболее широко используют стали 9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС (фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).
Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью - до +650°С. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, РЮК5Ф5.
Стали для измерительных инструментов
Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8...У12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.
Штамповые стали
Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.
Стали для штампов холодного деформирования
Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими. Например Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5ВЗМФС, 7ХГ2ВМ. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.
Стали для штампов горячего деформирования
Эти стали должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и высокой теплопроводностью. Примером таких сталей могут служить стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ.
Валковые стали
Данные стали применяют для рабочих, опорных и прочих валков прокатных станов, бандажей составных опорных валков, ножей для холодной резки металла, обрезных матриц и пуансонов. К валковым сталям относят такие марки стали, как 90ХФ, 9X1, 55Х, 60ХН, 7Х2СМФ.
Требования к стали для валков
Высокая прокаливаемость. Для обеспечения высокой закаливаемости необходимо использование таких марок стали, устойчивость переохлажденного аустенита которых в обеих областях превращения, во возможности, достаточна для развития мартенситного превращения при минимальных скоростях охлаждения, например, в масле.
Глубокая прокаливаемость. Прокаливаемость - это глубина закаленного слоя или, другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химического состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а также увеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости, поэтому необходимую прокаливаемость обеспечивают за счет оптимизации химического состава стали. Для данного типа стали необходима практически сквозная прокаливаемость, так как при этом обеспечивается жесткость валка, без которой затруднительно получение высокой точности проката. Среди элементов, увеличивающих прокаливаемость - кремний и бор.
Высокая износостойкость . Необходима для безаварийной работы стана. При высокой износостойкости образование абразивных частиц износа не происходит, система подшипников работает более надежно.
Высокая контактная прочность . Контактная прочность рабочего слоя валков должна быть выше контактных напряжений, возникающих в процессе прокатки с учетом естественных нагрузок.
Минимальная склонность к деформации и короблению в процессе термической обработки и неизменность размеров в процессе эксплуатации .
Удовлетворительная обрабатываемость при мехобработке, хорошая шлифуемость и полируемость для обеспечения высокой чистоты поверхности валков и, следовательно, высокого качества поверхности прокатываемого материала.
Сталь. Определение.
Все мы привыкли считать, что есть чугун и есть сталь. Однако, если ознакомиться с технологическим процессом производства стали, то мы поймём, что сталь является продуктом переработки чугуна. Общепринятое определение - сталь является сплавом железа и углерода с содержанием последнего в пределах 0,1 - 2,14%. Причём, чем меньше доля углерода, тем лучше свариваемость стали и хуже восприимчивость к термообработке
Условия применения стали предъявляют самые разнообразные требования к её физико-химическим свойствам. В связи с этим в состав сплава могут вводиться различные лигатуры, уменьшая долю железа. Поэтому существует уточнённое определение стали - это сплав железа и углерода, но при этом массовая доля железа должна составлять не менее 45%.
Наличие в сплаве железа, углерода и легирующих элементов в тех или иных долях определяет принадлежность стали к какому-либо классу.
Классификация стали.
Несмотря на существование множества современных высокотехнологичных материалов, сталь остаётся одним из самых широко применяемых материалов. Относится это и к производству приводных механизмов. Каким бы ни был редуктор, в нём обязательно присутствуют стальные детали. Справедливо это утверждение и по отношению к приводным цепям.
Итак, рассмотрим основные варианты классификации стали.
По назначению.
По своему назначению сталь подразделяется на следующие категории - строительная, машиностроительная и инструментальная.
Строительная сталь.
Основным требованием, предъявляемым к строительной стали, является хорошая свариваемость. Это возможно при содержании углерода до 0,25%. Справедливым будет утверждение, что к строительным относятся низкоуглеродистые стали. Типовые марки - Ст1, Ст2 и Ст3.
Применение строительной стали.
Химический состав строительной стали определяет её применение в различных строительных конструкциях или оборудовании при необходимости соединения сборочных единиц путём проведения сварочных работ. Некоторые модели цилиндрических редукторов компонуются в корпусах из строительной стали.
Машиностроительная сталь.
К машиностроительным сталям относится сплав железа и углерода с содержанием последнего в пределах от 0,3 до 0,7%. Данный тип имеет худшую, по сравнению со строительной сталью, свариваемость, но при этом лучше воспринимает процесс закалки и отпуска. Типовые марки - Сталь 40Х или Сталь 45.
Применение машиностроительной стали.
Среднеуглеродистые машиностроительные стали применяются при производстве самого широкого спектра деталей в общем машиностроении. Как правило, производственный процесс подразумевает наличие термических или химико-термических операций. Пример продукции, представленной в каталоге, - запасные части редукторов и звенья приводных роликовых цепей.
Инструментальная сталь.
Название инструментальной стали говорит за себя. Основным требованием, предъявляемым к любому стальному инструменту, является твёрдость. Эта характеристика достигается путём достижения доли содержания углерода в сплаве свыше 0,7%. Наиболее распространённые марки - от У7 до У13.
Применение инструментальной стали.
Помимо своего прямого назначения, инструментальная сталь применяется при производстве различных пружин. В частности, плоские пружины используются при сборке электродвигателей и соединительных замков цепей.
Показатель процентного содержания углерода в химическом составе стали определяет её отношение к одной из трёх групп:
- низкоуглеродистые - содержание углерода менее 0,25%;
- среднеуглеродистые - углерода содержится от 0,3 до 0,7%;
- высокоуглеродистые - доля углерода превышает 0,7%.
Низкоуглеродистые стали.
Низкоуглеродистая сталь может иметь множество различных обозначений. Всё зависит от массовой доли углерода и наличия в сплаве дополнительных химических элементов. Пример - Ст 08пс, Сталь 10 или 25ХГЛ. Общее в обозначении - первое число не более 25. Самый характерный признак данной категории - прекрасная свариваемость
Применение низкоуглеродистой стали в редукторах.
Из низкоуглеродистых сталей производятся различные штампованные элементы корпусов редукторов - различные смотровые люки и крышки. Сталь с содержанием углерода 0,2-0,25% применяется при изготовлении зубчатых колёс мотор-редукторов типа МЦ2С и цилиндрических редукторов типа Ц2У. Для повышения прочностных характеристик шестерни после механической обработки подвергаются цементации.
Среднеуглеродистая сталь.
Среднеуглеродистые стали имеют в своей маркировке начальные числа от 30 до 50, что означает сотые доли процента содержания углерода. Свариваемость плохая - всем знакома ситуация, когда шов трескается. Пример марок среднеуглеродистых сталей - Сталь 40Х, Сталь 45 или 50Г2.
Применение среднеуглеродистой стали.
До недавних пор среднеуглеродистые стали являлись основным материалом для изготовления валов-шестерен и колёс зубчатых редукторов. Например, так производились редукторы типа РМ или РЦД. В настоящее время из данной категории металла изготавливают различные валы и муфты, работающие под нагрузкой или при повышенной вибрации.
Высокоуглеродистые стали.
В высокоуглеродистых сталях фактическое содержание углерода превышает 0,55%. Чем выше в стали содержится углерода, тем больше её физические свойства приближаются к чугуну. Это же можно сказать и относительно прочности. Пример марок - У7А, У9А или У13А. Производство высокоуглеродистых сталей принято считать более затратным.
Применение высокоуглеродистых сталей.
Напрямую высокоуглеродистая сталь в редукторах применяется в ничтожных количествах, только в виде каких либо пружин. Но косвенное использование является повсеместных - стальные шарики дробемётных установок, метчики, напильники и т.д. Именно повышенная прочность стали с высоким содержанием углерода вносит определённые ограничение на применение изделий из этого материала.