Углеродистые конструкционные и инструментальные стали

В зависимости от содержания углерода углеродистую сталь подразделяют на

· низкоуглеродистую (до 0,25% С),

· среднеуглеродистую (0,25-0,6% С),

· высокоуглеродистую (более 0,6% С).

Различают конструкционную углеродистую сталь обыкновенного качества и качественную, конструкционную. К 1-й группе относится горячекатаная (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная (тонколистовая) сталь, марок Ст0,Ст1,Ст2,Ст3кп и т.д. (цифра условный номер марки, буквы степень раскисления). В зависимости от назначения делится на три группы А (хим. состав не регламентируется), Б (поставляется по хим. составу), В (поставляют по механическим свойствам). Буква А в марке не указывается БСт4кп.

Во 2-ювходят горячекатаные и кованые заготовки диаметром (или толщиной) до 250 мм, калиброванная сталь и серебрянка. Сталь поставляют с регламентированным химическим составом. Обозначается двузначными числами (содержание С в сотых долях %) 15, 20, 35, 45, 60Г (с повышенным содержанием марганца).

Углеродистые инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, мерительного инструмента и штампов. Маркируются буквой У, а следующая за ней цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют углеродистые качественные стали марок У7-— У13 и высококачественные стали марок У7А—У13А. Высококачественные стали содержат не более 0,02 % серы и фосфора, качественные — не более 0,03 %.

По назначению различают углеродистые стали для работы при ударных нагрузках и для статически нагруженного инструмента.

Стали марок У7—У9 применяют для изготовления инструмента при работе с ударными нагрузками, от которого требуется высокая режущая способность (зубила, клейма по металлу, деревообрабатывающий инструмент, в частности пилы, топоры и т. д.).

Стали марок У10—У13 идут на изготовление режущего инструмента, не испытывающего при работе ударов и обладающего высокой твердостью (напильники, шаберы, острый хирургический инструмент и т. п.). Из сталей этих марок иногда изготавливают также простые штампы холодного деформирования.

Углеродистые доэвтектоидные стали после горячей пластической обработки {ковки или прокатки) и последующего охлаждения на воздухе имеют структуру, состоящую из пластинчатою перлита и небольшого количества феррита, а заэвтектоидные стали — пластинчатого перлита и избыточного цементита. Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух операций: предварительной и окончательной обработок.

Предварительная термическая обработка сталей заключается в отжиге при 740—760 °С, цель которого — получить микроструктуру, состоящую из зернистого перлита — псевдоперлита, так как при такой микроструктуре после последующей закалки получаются наиболее однородные свойства.

Кроме того, при такой структуре облегчается механическая обработка инструмента.

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Закалку проводят в воде от 780—810 °С, т. е, с температур, для доэвтектоидных сталей лежащих несколько выше Ас3, а для заэвтектоидных — лежащих ниже Аст.

Углеродистые стали имеют очень высокую критическую скорость закалки — порядка 200—300°С/с. Поэтому недопустимо даже малейшее замедление охлаждения при закалке, так как это может привести к частичному распаду аустенита и, как следствие, к появлению мягких пятен.

Особенно быстро протекает распад аустенита в углеродистых сталях при температурах, близких к 500—550 °С, где он начинается почти мгновенно, протекает чрезвычайно интенсивно и в течение нескольких секунд полностью заканчивается.

Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь. Однако при этом в них возникают большие внутренние напряжения, которые могут вызвать существенные деформации.

Инструменты, имеющие крупные размеры, при закалке в воде и в водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита в перлитном интервале температур.

Сердцевина инструментов, имеющая такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.

Углеродистые инструментальные стали наиболее целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или наименьшей толщиной 18—25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200 °С во избежание снижения твердости. Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале НRС 56—64.

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей являются:

- низкая стоимость,

- хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии.

Их недостатками являются невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.

Легированные стали

Внесение специальных добавок в расплав с целью получения требуемых свойств сплава называется легированием. Наличие и процентное содержание легирующих элементов в сталях, как правило, указывается в марке стали. В качестве легирующих элементов в железоуглеродистых сплавах применяются следующие элементы: хром – Х, молибден – М, вольфрам – В, медь – Д, кремний – С, алюминий – Ю, бор – Р, цирконий – Ц, никель – Н, ванадий – Ф, марганец – Г, кобальт – К, титан – Т, фосфор –П, ниобий – Б, селен – Е, редкоземельный элемент –Ч, азот – А. Буква А, стоящая в начале марки стали указывает, что это автоматная сталь (А40), буква А в середине марки указывает на процентное содержание азота (16Г2АФ), буква А приведенная в конце марки стали, указывает что сталь высококачественная с малым содержанием вредных примесей серы и фосфора до 0,025% каждого (30ХГСА).

Легированные стали по назначению делятся на конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами. По содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5%, легированные с содержанием легирующих элементов до 10% и высоколегированные с содержанием легирующих элементов свыше 10%.

Введенные вещества могут в сплавах находится в свободном состоянии, либо образовывать химические соединения, либо растворятся в цементите или железе.

Введение легирующих элементов изменяет кристаллическую структуру сплавов и, следовательно, их физические свойства. Хром, никель, молибден, марганец улучшают прокаливаемость, хром кроме того повышает износостойкость. Mn(Г), Si (С), Ni (H), Mo(M), вольфрам (В), хром (Х) повышает прочность. Вольфрам, молибден, титан, хром, алюминий, кремний повышают жаростойкость (способность сохранять прочность при повышенных температурах).

Хром, никель и титан придают стали антикоррозионные свойства. Медь улучшает свариваемость. Хром, ванадий, кремний улучшают упругие свойства сталей. При введении легирующих элементов диаграмма состояния Fe-C может изменятся. Так, при определенном содержании Mn, Ni и некоторых других элементов твердый раствор углерода в γ железе - аустенит может существовать при всех температурах, вплоть до комнатной. Такие легированные стали называют аустенитными (12Х18Н9Т). При достаточно высоком содержании молибдена, ванадия устойчивым при всех температурах является α- состояние. Такие стали называют ферритными. При введении легирующих элементов в сплавах образуются: оксиды Al₂O₃, TiO₂, V₂O₅; нитриды Fe₂N, CrN, MoN; карбиды Fe_.3C, Mn₃C, Cr_.7C₃, Mo₂C, W_.2C, TiC, NbC/

Каждый карбид или окисел имеет свою кристаллическую решетку. Некоторые из этих соединений обладают высокой тугоплавкостью, что влечет за собой повышение жаропрочности сталей; другие повышают ударную вязкость.

Введение легирующих элементов (например Mn, Cr, Ni ) улучшает свойства сталей. Более благоприятно введение 2-х или 3-х элементов, что сказывается на повышении механических свойств. Наиболее часто встречаются комбинации Ni+Cr; Mn+Cr; Ni+Mo.

Наиболее частные сочетания 3-х элементов : Ni+Cr+Mo; Ni+Cr+W; Mn+Cr+Mo; Mn+Cr+Ti.

Все легирующие элементы (кроме Mn) измельчают зерна аустенита. Уменьшение зерен повышает ударную вязкость ( т.к. обычно излом при ударе происходит по границам зерен; чем зерна мельче, тем больше общая протяженность их границ, и тем труднее их разрушить). Особенно активно измельчают зерна активные карбидообразователи (ванадий, титан, вольфрам, молибден).