Сталь - деформований (ковкий) сплав заліза з вуглецем (до 2,14%) та іншими елементами. Отримують, головним чином, суміші чавуну зі сталевим ломом в кисневих конвертерах, мартенівських печах і електропечах. Сплав заліза з вуглецем, що містить більше 2,14% вуглецю, називають чавуном.
99% всієї сталі - конструкційний матеріал в широкому сенсі слова: включаючи сталі для будівельних споруд, деталей машин, пружних елементів, інструменту і для особливих умов роботи - теплостійкі, нержавіючі, і т. п. Його головні якості - міцність (здатність витримувати при роботі достатні напруги), пластичність (здатність витримувати достатні деформації без руйнування при виробництві конструкцій, так у місцях перевантажень при їх експлуатації), в'язкість (здатність поглинати роботу зовнішніх сил, перешкоджаючи поширенню тріщин), пружність, твердість, стомленість, тріщиностійкість, холодостійкість, жароміцність.
Для виготовлення підшипників широко використовують шарикопідшипникові хромисті сталі ШХ15 і ШХ15СГ. Шарикопідшипникові сталі володіють високою твердістю, міцністю і контактною витривалістю.
Пружини, ресори та інші пружні елементи працюють в області пружної деформації матеріалу. У той же час багато з них схильні до дії циклічних навантажень. Тому основні вимоги до пружинних сталей - це забезпечення високих значень меж пружності, текучості, витривалості, а також необхідної пластичності та опору крихкому руйнуванню (55С2, 60С2А, 50ХФА, 30Х13, 03Х12Н10Д2Т).
Високоміцні сталі мають високу міцність при достатній пластичності (среднеуглеродистая легована сталь 40ХН2МА), високою конструктивною міцністю, малою чутливістю до надрізів, високим опором крихкому руйнуванню, низьким порогом холодноламкості, гарною зварюваністю.
Класифікація сталей і сплавів здійснюється:
Хімічний склад
За хімічним складом вуглецеві сталі поділяють в залежності від вмісту вуглецю на наступні групи:
Структурний склад
Леговані сталі і сплави поділяються також на класи по структурному складу:
До перлитному класу відносять вуглецеві і леговані сталі з низьким вмістом легуючих елементів, до мартенситному - з більш високим і до аустенитному - з високим вмістом легуючих елементів.
За якістю, тобто за способом виробництва і соді домішок, сталі та сплави поділяють на чотири групи
Класифікація сталей за якістю
| Група | S, % | Р, % |
| Звичайної якості (рядові) | менш як 0,06 | менше 0,07 |
| Якісні | менш як 0,04 | менше 0,035 |
| Високоякісні | менше 0,025 | менше 0,025 |
| Особовысококачественные | менше 0,015 | менше 0,025 |
Сталі звичайної якості (рядові) за хімічним складом -вуглецеві стали, що містять до 0,6% С. Ці сталі виплавляється в конвертерах з застосуванням кисню або у великих мартенівських печах. Прикладом даних сталей можуть служити стали СтО, СтЗсп, Ст5кп.
Сталі звичайної якості, будучи найбільш дешевими, поступаються за механічними властивостями сталей інших класів.
Стали якісні за хімічним складом бувають вуглецеві або леговані (08кп, 10пс, 20). Вони також виплавляються в конвертерах або в основних мартенівських печах, але з дотриманням більше стро-гих вимог до складу шихти, процесів плавки і розливання.
Вуглецеві сталі звичайної якості і якісні за ступенем розкислення і характером затвердіння металу у виливниці діляться на спокійні, напівспокійну і киплячі. Кожен з цих сортів відрізняється вмістом кисню, азоту і водню. Так в киплячих сталях міститься найбільша кількість цих елементів.
Стали високоякісні виплавляються переважно в електропечах, а особливо високоякісні - в електропечах з електрошлаковим переплавом (ЕШП) або іншими досконалими методами, що гарантує підвищену чистоту по неметалевим включень (вміст сірки і фосфору менше 0,03%) та вмісту газів, а отже, поліпшення механічних властивостей. Це такі стали як 20А, 15Х2МА.
Особовысококачественные стали піддаються електрошлакового переплаву, що забезпечує ефективну очистку від сульфідів і оксидів. Дані сталі виплавляється тільки легованими. Їх виробляють в електропечах і методами спеціальної електрометалургії. Містять не більш 0,01% сірки і 0,025% фосфору. Наприклад: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.
За призначенням сталі та сплави класифікуються на конструкційні, інструментальні і сталі з особливими фізичними і хімічними властивостями.
Конструкційні сталі прийнято ділити на будівельні, для холодної штампування, цементовані, покращувані, високоміцні, ресорно-пружинні, шарикопідшипникові, автоматні, корозійно-стійкі, жаростійкі, жароміцні, зносостійкі сталі.
До будівельних сталей відносяться вуглецеві сталі звичайної якості, а також низьколеговані сталі. Основна вимога до будівельних сталей - їх хороша зварюваність. Наприклад: С255, С345Т, С390К, С440Д.
Для холодної штампування застосовують листовий прокат з низьковуглецевих якісних марок сталі 08Ю, 08пс і 08кп.
Цементовані сталі застосовують для виготовлення деталей, що працюють в умовах поверхневого зносу і відчувають при цьому динамічні навантаження. До цементируемым відносяться маловуглецеві сталі, що містять 0,1-0,3% вуглецю (такі, як 15, 20, 25), а також деякі леговані сталі (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).
До улучшаемым сталей відносять сталі, які піддають поліпшення - термообробці, яка полягає в гарті і високому відпустці. До них відносяться середньовуглецеві сталі (35, 40, 45, 50), хромисті сталі (40Х, 45Х, 50Х), хромисті сталі з бором (ЗОХРА, 40ХР), хромонікелеві, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые сталі.
Високоміцні сталі - це сталі, у яких підбором хімічного складу та термічної обробкою досягається межа міцності приблизно вдвічі більший, ніж у звичайних конструкційних сталей. Такий рівень міцності можна отримати у середньовуглецевих легованих сталях - таких, як ЗОХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ.
Пружинні (ресорно-пружинні) стали зберігають протягом тривалого часу пружні властивості, оскільки мають високий межа пружності, високий опір руйнуванню і втоми. До пружинним відносяться вуглецеві сталі (65, 70) та сталі, леговані елементами, які підвищують межа пружності - кремнієм, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадієм, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).
Підшипникові (шарікоподшипниковиє стали мають високу міцність, зносостійкість, витривалість. До підшипниковий пред'являють підвищені вимоги на відсутність різних включень, макро - і мікропористості. Зазвичай шарикопідшипникові сталі характеризуються високим вмістом вуглецю (близько 1%) і наявністю хрому (ШХ9, ШХ15).
Автоматні сталі використовують для виготовлення невідповідальних деталей масового виробництва (гвинти, болти, гайки та ін)> оброблюваних на верстатах-автоматах. Ефективним металургійним прийомом підвищення оброблюваності різанням є введення в сталь сірки, селену, телуру, а також свинцю, що сприяє утворенню короткою і ламкої стружки, а також зменшує тертя між різцем і стружкою. Недолік автоматних сталей - знижена пластичність. До автоматним сталям відносяться такі стали, як А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ.
Зносостійкі стали застосовують для деталей, що працюють в умовах абразивного тертя, високого тиску і ударів (хрестовини залізничних шляхів, траки гусеничних машин, щоки дробарок, черпаки землерийних машин, ковші екскаваторів і ін)- Приклад зносостійкої сталі - высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.
Корозійно-стійкі (нержавіючі) сталі - леговані сталі з великим вмістом хрому (не менше 12%) і нікелю. Хром утворює на поверхні виробу захисну (пасивну) оксидну плівку. Вуглець в нержавіючих сталях - небажаний елемент, а чим більше хрому, тим вище корозійна стійкість.
Структура для найбільш характерних сплавів цього призначення може бути:
Сплав 06ХН28МТ може експлуатуватися в умовах гарячих (до 60°С) фосфорної і сірчаної (концентрації до 20%) кислот.
Корозійностійкі сталі і сплави класифікують в залежності від агресивності середовища, в якій вони використовуються, і за їх основним споживчим властивості власне корозійно-стійкі, жаростійкі, жароміцні та кріогенні.
Вироби з власне корозійностійких сталей (лопатки турбін, клапани гідравлічних пресів, пружини, карбюраторні голки, диски, вали, труби та ін) працюють при температурі експлуатації до 550°С.
Жароміцні сталі здатні працювати в навантаженому стані при високих температурах протягом визначеного часу і при цьому володіють достатньою жаростійкістю. Дані сталі і сплави застосовуються для виготовлення труб, клапанних, паро - і газотурбінних деталей (ротори, лопатки, диски та ін).
Для жароміцних і жаростійких машинобудівних сталей використовуються маловуглецеві (0,1-0,45% С) і високолеговані (Si, Cr, Ni, Со та ін). Жароміцні сталі і сплави в своєму складі містять нікель, який забезпечує суттєве збільшення межі тривалої корозійної міцності при незначному збільшенні межі текучості і тимчасового опору, і марганець. Вони можуть додатково легироваться молібденом, вольфрамом, ніобієм, титаном, бором, йодом та ін. Так, мікролегування бором, а також рідкісноземельними та деякими лужно-земельними металами підвищує такі характеристики, як кількість обертів при крученні, пластичність і в'язкість при високих температурах.
Робочі температури сучасних жароміцних сплавів складають приблизно 45-80% від температури плавлення. Ці сталі класифікують по температурі експлуатації (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.
Жаростійкі (окалиностойкие) сталі володіють стійкістю проти хімічного руйнування поверхні в газових середовищах, в тому числі сірковмісних, при температурах +550-1200°С у повітрі, пічних газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12X17, 15X28), окислювальних і науглероживающих середовищах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) і працюють в ненавантаженому або слабонагруженном стані, так як можуть проявляти повзучість при застосуванні великих навантажень. Жаростійкі сталі характеризують по температурі початку інтенсивного окислення. Величина цієї температури визначається вмістом хрому в сплаві. Так, при . 15% Cr температура експлуатації виробів становить +950°С, а при 25% Cr до +130СГС. Жаростійкі сталі також легують кремнієм, нікелем, кремнієм, алюмінієм.
Кріогенні машинобудівні стали і сплави (ГОСТ 5632-72) за хімічним складом є низьковуглецевих (0,10% С) і високолегованими (Cr, N1, Mn і ін) сталей аустенітного класу (08Х18НЮ, 12Х18НЮТ, ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АП9 та ін). Основними споживчими властивостями цих сталей є пластичність і в'яз-кість, які з пониженням температури (від +20 до -196°С) або не змінюються, або мало зменшуються, тобто не відбувається різкого зменшення в'язкості, характерного при холодноламкості. Кріогенні машинобудівні сталі класифікують по температурі експлуатації в діапазоні від -196 до -296°С і використовують для виготовлення деталей кріогенного обладнання.
Інструментальні сталі за призначенням поділяють на сталі для різальних, вимірювальних інструментів, штампові сталі.
Стали для різальних інструментівСтали для різальних інструментів повинні бути здатними зберігати високу твердість і ріжучу здатність тривалий час, в тому числі і при нагріванні. В якості сталей для різальних інструментів застосовують вуглецеві, леговані інструментальні, швидкорізальні сталі.
Вуглецеві інструментальні сталіВуглецеві інструментальні сталі містять 0,65-1,32% вуглецю. Наприклад, сталі марок У7, У7А, У13, У13А. До цієї групи, крім нелегованих вуглецевих інструментальних сталей, умовно відносять також стали з невеликим вмістом легуючих елементів, які не сильно відрізняються від вуглецевих.
В дану групу сталей входять стали, що містять легуючі елементи в кількості 1-3%. Леговані інструментальні сталі мають підвищену (порівняно з вуглецевими інструментальними сталями) теплостійкість до +300°С. Найбільш широко використовують сталі 9ХС (свердла, фрези, зенкери), ХВГ (протяжки, розгортки), ХВГС (фрези, зенкери, свердла великих діаметрів).
Швидкорізальні сталіШвидкорізальні сталі застосовують для виготовлення різного ріжучого інструменту, що працює на високих швидкостях різання, так як вони володіють високою теплостійкістю - до +650°С. Найбільше поширення отримали швидкорізальні сталі марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, РЮК5Ф5.
Стали для вимірювальних інструментівІнструментальні сталі для вимірювальних інструментів (плиток, калібрів, шаблонів) крім твердості і зносостійкості повинні зберігати сталість розмірів і добре шліфуватися. Зазвичай застосовують сталі У8...У12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Вимірювальні скоби, шкали, лінійки та інші плоскі і довгі інструменти виготовляють із листових сталей 15, 15Х. Для отримання робочої поверхні з високою твердістю і зносостійкістю інструменти піддають цементації і загартуванню.
Штампові сталіШтампові сталі володіють високою твердістю і зносостійкістю, прокаливаемостью і теплостійкістю.
Сталі для штампів холодного деформуванняЦі сталі повинні володіти високою твердістю, зносостійкістю і міцністю, що поєднується з достатньою в'язкістю, також повинні бути теплостійкими. Наприклад Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5ВЗМФС, 7ХГ2ВМ. У багатьох випадках для виготовлення штампів для холодного деформування використовують швидкорізальні сталі.
Сталі для штампів гарячого деформуванняЦі сталі повинні мати високі механічні властивості (міцність і в'язкість) при підвищених температурах і володіти зносостійкістю, окалиностойкостью, разгаростойкостью і високою теплопровідністю. Прикладом таких сталей можуть служити сталі 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ.
Валкові сталиДані сталі застосовують для робітників, опорних та інших валків прокатних станів, бандажів складових опорних валків, ножі для холодного різання металу, обрізних матриць і пуансонів. До валковим сталей відносять такі марки стали, як 90ХФ, 9X1, 55Х, 60ХН, 7Х2СМФ.
Вимоги до сталі для валківВисока прожарювана. Для забезпечення високої закаливаемости необхідно використання таких марок сталі, стійкість переохолодженого аустеніту яких в обох областях перетворення, по можливості, достатня для розвитку мартенситного перетворення при мінімальних швидкостях охолодження, наприклад, у маслі.
Глибока прожарювана. Прожарювана - 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. Серед елементів, що збільшують прожарювана - кремній і бор.
Висока зносостійкість. Необхідна для безаварійної роботи стана. При високій зносостійкості освіта абразивних частинок зносу не відбувається, система підшипників працює більш надійно.
Висока контактна міцність. Контактна міцність робочого шару валків повинна бути вище контактних напружень, що виникають в процесі прокатки з урахуванням природних навантажень.
Мінімальна схильність до деформації і викривлення в процесі термічної обробки і незмінність розмірів в процесі експлуатації.
Задовільна оброблюваність при мехобработке, хороша шлифуемость і поліруемость для забезпечення високої чистоти поверхні валків і, отже, високого якості поверхні прокатываемого матеріалу.
