Загальна класифікація сталей

Сталлю називається сплав заліза з вуглецем (до 2,14 %) та іншими елементами.

Сталі класифікують за хімічним складом; структурою; призначенням; якістю; ступенем розкислення і т.д.

За хімічним складом сталі поділяють на:

- вуглецеві (низьковуглецеві, що містять до 0,3, середньовуглецеві – 0,3-0,6 та високовуглецеві – більше 0,6 % карбону);

- леговані (сума легуючих елементів в низьколегованих сталях до 2,5, у середньолегованих 2,5-10,0, а у високолегованих – більше 10,0 %).

При визначенні ступеня легування вміст вуглецю до уваги не беруть, манган і силіцій вважаються легуючими елементами при їх вмісті більше 1,0 і 0,8 %, відповідно.

При маркуванні сталей використовують такі позначення хімічних елементів: А – азот, Б – ніобій, В – вольфрам, Г – манган, Д – мідь, Е – селен, К – кобальт, М – молібден, Н – нікель, Р – бор, С – силіцій, П – фосфор, Т – титан, Ю – алюміній, Х – хром, Ц – цирконій, Ф – ванадій.

Для маркування сталі користуються певним поєднанням цифр і букв, що показують зразковий хімічний склад сталі.

Перші цифри в марці сталі вказують вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Якщо на початку маркування перед літерами стоїть одна цифра, то вона вказує на вміст вуглецю в десятих частках відсотка; при вмісті вуглецю понад 1 % цифру перед літерами не ставлять.

Далі у маркуванні слідують літери, що показують наявність відповідних легуючих елементів у складі сталі. Цифри за літерами показують середній відсотковий вміст легуючого елементу, якщо вміст елемента менше 1,0-1,5 %, цифра не ставиться. В окремих випадках може бути вказано більш точно вміст легуючого елементу. Наприклад, сталь 32Х06Л містить в середньому 0,32 % вуглецю і близько 0,6 % хрому. Остання буква «Л» вказує, що сталь ливарна.

Для позначення високоякісної легованої сталі, наприкінці маркування додають букву «А». Високоякісна сталь містить менше сірки та фосфору, ніж якісна.

Леговані інструментальні сталі маркують по тій же системі, що і конструкційні з тією лише різницею, що перші цифри вказують вміст вуглецю в десятих частках відсотка, а не в сотих. Наприклад, сталь 9ХВГ містить 0,85-0,95 % С, 0,5-0,8 % Cr, 0,5-0,8 % W і 0,9-1,2 % Mn.

Деякі сталі спеціального призначення виділені в окремі групи і мають особливе маркування. Кожній групі присвоюється своя буква і ставиться попереду: Ж – хромована нержавіюча сталь; Я – хромнікелева нержавіюча сталь; Р – швидкоріжуча сталь; Ш – шарикопідшипникова сталь; Е – електротехнічна сталь. Наприклад, сталі ШХ15, Ж1, Р18.

На формування структури сталі найбільшою мірою впливає вуглець. Структура сталі без термічної обробки після повільного охолодження складається з суміші фериту і цементиту (структура такої сталі або перліт + ферит, або перліт + цементит). Кількість цементиту в сталі прямо пропорційна вмісту вуглецю. Тверді частинки цементиту підвищують опір деформації, зменшуючи пластичність і в'язкість. Таким чином, із збільшенням в сталі вмісту вуглецю, зростають твердість, межа міцності і зменшуються в'язкість, відносне подовження і звуження.

На їх механічні властивості заевтектоідних сталей сильно впливає вторинний цементит, який утворює крихку сітку навколо зерен перліту. Ця сітка сприяє передчасному руйнуванню сталевого виробу під навантаженням. Тому заевтектоідні сталі застосовують після спеціального відпалу, в результаті якого отримують в структурі зернистий перліт.

Зменшення змісту вуглецю нижче 0,3 % та збільшення понад 0,4 % призводить до погіршення оброблюваності різанням. Подальше збільшення вмісту вуглецю знижує технологічну пластичність сталі при обробці тиском, і погіршує її зварюваність – здатність матеріалів утворювати нероз'ємні з'єднання із заданими властивостями.

Силіцій слабо впливає на структуру і механічні властивості вуглецевої сталі, але як розкислювач він сприяє поліпшенню ливарних властивостей. Силіцій сильно підвищує межу текучості сталі, що знижує її здатність до витяжки. Тому в сталях, що призначені для холодного штампування, вміст силіцію має бути найменшим.

Манган є гарним дисульфуратором і розкислювачем (зменшує шкідливий вплив сірки і кисню); сприяє підвищенню механічних властивостей сталі, не знижуючи пластичності, і різко зменшує крихкість при високих температурах (червоноламкість). У вітчизняній практиці вміст мангану витримують у межах 0,35-0,65 % у низьковуглецевих сталях і 0,5-0,8 % в середньо- і високовуглецевих. Багато закордонних фірм вважають за краще доводити вміст мангану в вуглецевих сталях до 0,9-1,1 %.

Сірка в сталі перебуває у вигляді сульфідів FeS, MnS і є шкідливою домішкою, що викликає червоноламкість. Сульфід заліза утворює з залізом евтектику з температурою плавлення 988 ^оС. При нагріванні сталі до температур 1200-1250 °С евтектика плавиться по границям зерен і сталь при деформації руйнується. Вміст сірки в сталі не повинен перевищувати 0,05 %. При наявності в сталі мангану виключається утворення легкоплавкої евтектики і явище червоноламкості, з цієї причини його вводять до сталі при розкисленні, щоб уникнути небажаного впливу сірки.

Сульфіди, як і інші неметалічні включення, сильно знижують однорідність будови і механічні властивості сталі, особливо пластичність, ударну в'язкість і межу витривалості, а також погіршують зварюваність і корозійну стійкість.

Фосфор є шкідливою домішкою в металі, і вміст його не повинен перевищувати 0,045 %. Розчиняючись у фериті фосфор різко знижує його пластичність, викликає внутрикристалічну ліквацію, сприяє зростанню зерен, що призводить до крихкості сталевих виробів за звичайної температур – хладноламкості.

Гази (азот, водень, кисень) – шкідливі скриті домішки. Їхня роль найбільш сильно проявляється у зниженні пластичності та підвищенні схильності сталі до крихкого руйнування. Кисень і азот, до того ж, забруднюють сталь неметалічними включеннями – оксидами, нітратами.

Силіцій, манган, сульфур, фосфор, а також гази: кисень, азот, водень – є постійними домішками в сталі. Крім них у сталі можуть бути випадкові домішки, що потрапляють із вторинної сировини або руд окремих родовищ. З сталевого брухту (скрапу) у сталь можуть потрапити хром, нікель, станум та ряд інших елементів. Інші домішки знаходяться в сталі у невеликих кількостях і не мають істотного впливу.

За призначенням сталі поділяються на три групи: конструкційні сталі (призначені для виготовлення деталей машин і елементів будівельних конструкцій), інструментальні і сталі спеціального призначення (з особливими фізичними та механічними властивостями нержавіючі, жаростійкі, жароміцні. зносостійкі та ін.).

За якістю сталі класифікують на звичайної якості (містять до 0,06 % S і 0,07 % Р); якісні (до 0,035 % S і 0,035 % Р); високоякісні (не більше 0,025 % S і 0,025 % Р); особливо високоякісні (не більше 0,015 % S і 0,025 % Р).

Під якістю розуміється сукупність властивостей сталі, що визначається металургійним процесом її виробництва, – однорідність хімічного складу, будова і властивості, що залежать від вмісту шкідливих домішок і газів.

За ступенем розкислення сталі класифікують на спокійні (сп); напівспокійні (нс); киплячі (кп). Розкисленням називають процес видалення кисню з рідкої сталі.

Спокійні сталі розкислюють манганом, алюмінієм і силіцієм в плавильній печі і ковші. Вони тверднуть у виливниці спокійно, без газовиділення, з утворенням у верхній частині злитків усадочної раковини.

Дендритна ліквація викликає анізотропію механічних властивостей. Пластичні властивості сталі в поперечному (по відношенню до напрямку прокатки або кування) перерізі значно нижче, ніж в повздовжньому.

Зональна ліквація призводить до того, що у верхній частині злитка вміст сірки, фосфору та вуглецю збільшується, а в нижній – зменшується. Це призводить до значного погіршення властивостей виробів з такого злитка, аж до відбраковування.

Киплячі сталі розкислюють тільки манганом, чого часто недостатньо. Перед розливанням в них міститься підвищена кількість кисню, який при затвердінні злитку частково реагує з вуглецем і виділяється у вигляді газових бульбашок оксиду вуглецю, створюючи враження «кипіння» сталі.

Кипляча сталь практично не містить неметалічних включень продуктів розкислення. Ці стали виплавляють низьковуглецевими і з дуже малим вмістом силіцію (менше 0,07 %), але з підвищеною кількістю газоподібних домішок. При прокатці злитків газові бульбашки, що заповнені окисом вуглецю, заварюються. Листовий прокат з такої сталі призначений для виготовлення деталей кузовів автомобілів витяжкою, має хорошу штампованість в холодному стані.

Напівспокійні сталі за ступенем їх розкислення займають проміжне положення між спокійними і киплячими сталями. Частково їх розкислюють в плавильній печі і в ковші, а остаточно – у виливниці за рахунок вуглецю, що міститься в металі. Ліквація в злитках напівспокійної сталі менше, ніж у киплячій сталі, і наближається до ліквації в злитках спокійної сталі [2-5].

Леговані інструментальні сталі, на відміну від звичайних вуглецевих інструментальних сталей, містять легуючі елемент (Cr, W, V та ін.) або підвищену кількість мангану або силіцію. Тому вони після термообробки набувають підвищеної твердості, зносостійкості, в'язкості і стійкості проти відпуску.

У присутності легуючих добавок чутливість сталі до перегріву знижується і підвищується прожарюваність, що дозволяє охолоджувати її при загартуванні в маслі або гарячих середовищах, при цьому різко знижується небезпека утворення тріщин, деформації і викривлення інструменту. Проте звичайні леговані сталі, подібно до вуглецевих, зберігають теплостійкість також до 200-250 °С і тому придатні для роботи тільки при помірних і низьких швидкостях різання.

 

Вуглецеві сталі

Вуглецеві сталі відносяться до числа найбільш поширених конструкційних матеріалів у виробництві неорганічних речовин. Обсяг їх виробництва сягає 80 % від загальної виплавки сталі. Вуглецеві сталі широко використовують для виготовлення апаратури, що контактує з неагресивними або слабоагресивними середовищами.

Вуглецеві сталі достатньо стійкі у сульфатній кислоті концентрації 70-95 % до 60 °С, у слаболужних розчинах і у розчинах деяких солей. Тому вони отримали широке застосування у виробництвах сульфатної кислоти, лугів і ряду мінеральних солей. У кислотних цехах вуглецеві сталі використовують в основному для виготовлення корпусів апаратів, які футерують кислототривкими матеріалами.

Випускають вуглецеві сталі трьох груп: звичайної якості; якісну (загального призначення); спеціального призначення (автоматну, котлову тощо).

Вуглецеві сталі звичайної якості характеризуються значним вмістом шкідливих домішок, неметалевих включень і газів, їх випускають у вигляді прокату.

Залежно від гарантованих властивостей сталі підрозділяють на три групи: А, Б, В; по нормованим показникам на шість категорій (або так званих, умовних порядкових номерів). Маркують їх буквами «Ст». Індекси, що стоять праворуч від номера марки, означають: кп – кипляча, нс – напівспокійна, сп – спокійна сталь. Між індексом і номером марки може стояти літера «Г», що означає підвищений вміст мангану. У позначеннях марок ліворуч від букв «Ст» вказують групи (Б і В, група А не вказується) сталі. Категорію сталі (за вимогами до нормованих показників хімічного складу і механічних властивостей) позначають відповідною цифрою правіше індексу ступеня розкислення.

Наприклад, Ст5Гнс3 означає: сталь групи А, марки Ст5 з підвищеним вмістом мангану, напівспокійна, третьої категорії. Сталь першої категорії пишеться без зазначення номера останньої, наприклад Ст4сп.

Сталі групи А тільки з гарантованими механічними властивостями; поставляються в відпаленому стані без гарячої обробки. Їх хімічний склад не регламентується.

Сталі групи Б тільки з гарантованим хімічним складом; використовують для виготовлення виробів із застосуванням гарячої обробки (штампування, кування).

Сталі групи В мають гарантовані механічні властивості і хімічний склад. Їх широко застосовують при виробництві зварних та інших конструкцій.

Вуглецеві сталі звичайної якості застосовують для виготовлення різних металоконструкцій, ненавантажених деталей машин і механізмів, кріпильних виробів. Сталі марок Ст5 і Ст6 призначені для виробництва рейок, залізничних коліс, валів і шківів вантажопідйомних машин і механізмів.

У сталях, що призначені для виготовлення хімічної апаратури зваркою, вміст вуглецю не повинен перевищувати 0,4 %. При більшому вмісті вуглецю сталі схильні до повітряного закалювання, внаслідок чого в зоні зварки при охолоджені можуть виникнути висока напруга і тріщини.

Сталь, що призначена для виготовлення котлів і апаратів, що працюють при підвищених тисках і температурах, повинна мати відносне подовження не менше 17 %. Це викликано, зокрема, тим, що при згинанні і вальцюванні обичайок матеріал піддається великим пластичним деформаціям. Слід враховувати, що ці сталі можуть надійно працювати в діапазоні температур від -30 до +200 °С і при тиску не вище 1,6 МПа.

Вуглецеві якісні сталі мають менший, порівняно зі сталями звичайної якості, вміст шкідливих домішок і неметалевих включень. Поставляють їх у вигляді прокату з гарантованими механічними властивостями і хімічним складом.

Ці сталі випускають наступних марок: 05, 08, 10, 15, 20, 25 і так далі з кроком 5 до сталі марки 85. Вони містять манган (0,25-0,80 %), хром і силіцій (0,2 %). Вміст вуглецю в них пропорційний номеру сталі. Так, сталь марки 25 містить 0,25 % С.

Вуглецеві якісні сталі застосовують в машинобудуванні для виготовлення методом штампування деталей кузовів автомобілів, корпусів та кожухів (сталь 08кп, сталь 05кп, сталь 10кп), зварних конструкцій, резервуарів, ємностей, труб середньої міцності (сталь 08сп, сталь 10сп), малонавантажених зубчастих коліс, кулачків вісей (сталь 10, сталь 20, сталь 25).

Застосування спеціальних методів обробки (загартовування, нормалізації, поліпшення) дозволяє використовувати вуглецеві якісні сталі для виготовлення деталей, що зазнають циклічних навантажень (сталі 40, 45, 55, 60). Сталі з підвищеним вмістом вуглецю і мангану (сталі 65, 70, 75, 80, 60Г, 70Г) застосовують як ресорно-пружинні.

Апаратуру, що працює при тиску до 20 МПа в інтервалі температур від -40 до +450 °С, виготовляють з вуглецевих якісних сталей марок 10, 15, 20.

Сталі вуглецеві спеціального призначення. До цієї групи відносяться сталі з високими технологічними характеристиками (підвищена оброблюваність різанням, хороша зварюваність та ін.). Вони призначені в основному для виготовлення виробів масового виробництва.

Автоматні сталі з підвищеним вмістом сульфуру та фосфору мають гарну оброблюваність різанням. При обробці таких сталей на верстатах-автоматах утворюється коротка і дрібна стружка, знижується витрата ріжучого інструменту і зменшується шорсткість оброблених поверхонь.

Автоматні сталі маркують буквою «А» і цифрами, які показують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Застосовують наступні марки автоматної сталі: А12, А20, А30, А40Г. Зі сталі А12 виготовляють невідповідальні деталі, всі інші марки автоматної сталі придатні для виготовлення відповідальних деталей, що працюють при значних напругах і підвищених тисках. Ці сталі не застосовують для виготовлення конструкцій.

Котлова сталь застосовується для виготовлення деталей та пристроїв, що працюють під тиском (парових котлів, суднових топок, камер горіння газових турбін та ін.). Вони працюють при змінних тисках і температурах до 450 ^оС, добре зварюються. Для отримання таких властивостей у вуглецеву сталь вводять технологічну добавку (титан) та додатково розкислюють її алюмінієм.

Випускають наступні марки вуглецевої котлової сталі: 12К, 15К, I6К, 18К, 20К, 22К з вмістом 0,08-0,28 % вуглецю і поставляють у вигляді листів товщиною до 200 мм.

Вуглецеві сталі і конструкційні низьколеговані сталі задовільно стійкі в розчинах сульфатної кислоти при масовій концентрації понад 65 % і температурі не більше 40 °С. У нітратній кислоті вони стійкі в інтервалі концентрації 80-96 % завдяки утворенню захисної оксидної плівки, яка при вищих концентраціях руйнується. Вказані матеріали володіють задовільною корозійною стійкістю в розчинах гідроксиду натрію при температурах до 100 °С і масовій концентрації до 30 %.

Вуглецеві інструментальні сталі є якісними, містять більше 0,6 % С; їх виплавляють у мартенівських або електродугових печах, поставляють у вигляді сортового і фасонного прокату. У результаті загартовування і наступного низькотемпературного відпуску сталі набувають порівняно високої твердості, міцності і зносостійкості, які, однак, зберігаються при нагріванні тільки до 200-250 °С. Тому з цих сталей виготовляють ріжучий інструмент, що придатний для обробки м'яких матеріалів на малих швидкостях (10-15 м/хв), а також ковальський і вимірювальний інструмент.

Позначають ці сталі буквою У і цифрою, що вказує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка (У6, У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13). Марка сталі з буквою А означає, що сталь високоякісна (тобто більш очищена від сульфуру та фосфору), а з буквою Г – з підвищеним вмістом мангану (наприклад, У7А, У8А або У8Г).

Зі сталі У7 (0,65-0,74 % С) виготовляють зубила, ковальський інструмент, клейма; зі сталі У8 (0,75-0,84 % С) – матриці, пуансони, ножиці та ножі по металу, столярний інструмент; зі сталей У9, У10 – свердла, мітчики, розгортки, різці, фрези, бурильний інструмент тощо; зі сталей У12, У13 – різці, фрези, вимірювальний інструмент, волочильні дошки, зубила, напилки та ін. З перерахованих сталей в ряді випадків виготовляють також пружини, ресори, високоміцний дріт.

Леговані сталі

Для поліпшення фізичних, хімічних, механічних і технологічних властивостей сталі легують, тобто вводять до складу один або кілька додаткових елемента (хром, нікель, молібден тощо).

Легуючі елементи, розчиняючись в фериті, зменшуючи розмір зерна і збільшуючи схильність аустеніту до переохолодження, сприяють подрібненню карбідної фази, тому низьколеговані сталі у порівнянні з вуглецевими сталями звичайної якості (Ст2, Ст3, Ст4) мають більш високі значення межі міцності і текучості при збереженні пластичності, меншої схильності до старіння і холодноламкості.

Для досягнення високої прожарюваності сталь найчастіше легують більш дешевими елементами – манганом, хромом і бором, а також більш дорогими нікелем і молібденом.

Висока конструкційна міцність сталі забезпечується раціональним вмістом в ній легуючих елементів. Надмірне легування (за винятком нікелю) після досягнення необхідної загартованості призводить до зниження в'язкості і сприяє крихкому руйнуванню сталі.

Для виготовлення устаткування, що працює в агресивних умовах і при високих температурах, характерних для виробництва неорганічних речовин, використовують жаро- та корозійностійкі сталі.

Жаростійкою (окалиностікою) називається сталь, що володіє стійкістю проти газової корозії (окалиноутворення) при високих температурах – вище за 550 ^оС.

Корозійностійкою (неіржавіючою) називається сталь, що володіє стійкістю проти електрохімічної корозії, яка визивається дією електролітів: кислот, лугів і солей.

Основний спосіб, що підвищує стійкість сталі проти корозії, – введення до її складу елементів, що утворюють на поверхні сталі захисні плівки, міцно пов’язані з основним металом і попереджають контакт між металом і зовнішнім агресивним середовищем.

Підвищення окалиностійкості досягається введенням в сталь хрому, а також алюмінію або силіцію, тобто елементів, що розчиняються у ферумі і утворюють в процесі нагріву захисні плівки оксидів (Cr,Fe)₂O₃, (Al,Fe)₂O₃. Введення у сталь 5-8 % Cr підвищує окалиностійкість до 700-750 ^оС, збільшення вмісту хрому до 15-17 % робить сталь окалиностійкою до 950-1000 ^оС, а при вмісті 25 % Cr сталь залишається окалиностійкою до 1100 ^оС. Окалиностійкість залежить від складу сталі, а не від її структури. Тому окалиностійкість (жаростійкість) феритних і аустенітних сталей при рівному вмісті хрому практично однакова.

Введення 12-13 % Cr робить сталь стійкою проти корозії на повітрі, у морській і прісній воді та деяких кислотах. При збільшенні вмісту хрому більше 15 % сталь набуває стійкості проти корозії в окислювальних середовищах, в тому числі в нітратній кислоті.

Корозійна стійкість сталі також може бути підвищена термічною обробкою і утворенням шліфувальної або полірованої поверхні.

Найбільш широко застосовуються нержавіючі хромисті сталі 12Х13, 20Х13, 30Х13 і 40Х13, що містять 12-14 % Cr, а також сталі 12Х17 і 15Х28, що містять ≤0,12-0,15 % С, 17 і 28 % Cr.

Сталі 12Х13 і 20Х13 застосовують для виготовлення виробів, що піддаються дії атмосферних опадів, водних розчинів солей органічних кислот при кімнатній температурі, а також клапанів гідравлічних пресів і арматури крекінг-установок.

Сталь 15Х28 використовують для устаткування і труб теплообмінної апаратури, що працює в агресивних середовищах.

Нікель – найбільш цінний легуючий елемент, що підвищує не тільки корозійну стійкість і механічну міцність сталей, а й покращує їх оброблюваність. Його вводять в кількості від 1 до 5 %. Крім цього нікель підвищує опір крихкому руйнуванню сталі, збільшуючи пластичність і в’язкість, зменшуючи чутливість до концентраторів напруг і знижує температуру порогу холоднокрихкості. При вмісті в сталі 1,0 % Ni поріг холоднокрихкості знижується на 60-80 ^оС, подальше збільшення концентрації нікелю до 3-4 % викликає менше зниження порогу холоднокрихкості. Нікель – дорогий метал, тому часто до конструкційних сталей його вводять спільно із хромом та іншими елементами (у гранично мінімальній кількості).

Хромонікелеві нержавіючі сталі піддають загартовуванню при 1100-1150 ^оС у воді для отримання однофазної аустенітної структури. В загартованому стані вони володіють найбільшою стійкістю проти корозії. Вони повністю стійкі у прісній і морській воді, в органічних, а також в нітратній і сульфатній кислотах.

Високий опір міжкристалітній корозії, високу пластичність і зварюваність мають низьковуглецеві сталі 04Х18Н10 і 03Х18Н12Т, що призначені для виготовлення хімічної апаратури.

Великий практичний інтерес внаслідок високої вартості нікелю представляють аустенітні нержавіючі сталі, в яких нікель частково або повністю замінений іншими більш доступними металами, наприклад, хромоманганонікелеві

Манган вводять в сталь у кількості до 1,5 %. Він помітно підвищує межу текучості сталі, але робить сталь чутливою до перегріву, на корозійну стійкість сталі практично не впливає. При збільшенні його вмісту до 10-15 % виходить сталь з високою стійкістю до ударів і ерозії. З цих сталей виготовляють деталі дробарок і млинів.

Додаткове введення 2-3 % силіцію підвищує стійкість хромо-нікелевої сталі до окислення при підвищених температурах та межу текучості, а при вмісті більше 1 % знижує в'язкість сталі при кімнатних і невисоких температурах. Силіцій декілька підвищує стійкість сталі у холодній розбавленій хлорводневій і гарячій сульфатній кислотах. Так, стандартні хромонікельсиліцієві сталі Х20Н14С2 і Х25Н20С25 володіють високою жаростійкістю і жароміцністю, а також кислотостійкістю и застосовуються головним чином в умовах роботи при підвищених температурах.

Вольфрам підвищує опір повзучості комплексно легованих сталей, сприяє подрібненню зерна та покращує деякі технологічні властивості. Зазвичай вводять не більше 3-4 % W, оскільки інакше сталі вже неможливо прокатати або прокувати. Типовим представником жароміцних і жаростійких сталей є сталь 4Х14Н14В2М.

Одночасне легування хромонікелевих сталей вольфрамом і силіцієм має максимальне підвищення жароміцності і жаростійкості. Так, наприклад, сталь 4Х14Н14С2В2М використовується для двигунів внутрішнього згоряння.

Добавка молібдену до складу хромонікелевих сталей – одна з найбільш корисних для підвищення корозійної стійкості. Основний вплив молібдену – це збільшення корозійної стійкості до корозійних середовищ, що містять іони Cl⁻. Зростає також загальна стійкість хромонікелевих сталей у розбавлених розчинах НСl і Н₂SО₄, а також у середовищах, що містять сірчисту і оцтову кислоти, оцтовий ангідрид, мурашину і щавлеву кислоти. Основне застосування знаходять сталі Х18Н12М2Т і Х18Н12М3Т.

Ванадій підвищує стійкість сталі до водневої корозії. Титан і ніобій роблять сталь малочутливою до міжкристалітної корозії. Ванадій і титан вводять у невеликих кількостях (до 0,3 V і 0,1 % Тi) в сталі, що містять хром, манган, нікель для подрібнення зерна. Підвищений вміст ванадію, молібдену і вольфраму в конструкційних сталях неприпустимий через утворення важкорозчинних при нагріванні карбідів цих елементів. Надлишкові карбіди, розташовуючись по межах зерен, сприяють крихкому руйнуванню.

Сталь 12Х18Н10Т отримала широке застосування в хімічній промисловості. Вона стійка до азотної кислоти, до лугів, нітратів, до газової корозії. Завдяки високому вмісту хрому ця сталь може працювати при температурі до 800 °С. Проте з підвищенням температури міцність цієї сталі знижується, що слід враховувати при розрахунках апаратів на міцність. У виробництві фосфорної кислоти використовують сталі, що містять молібден і купрум, наприклад, ЕІ943 або 0Х23Н28М3Д3Т.

Хромисті сталі 15Х25Т, 15Х28Т і 15X28 відрізняються високою стійкістю до окислення і при нагріві відкритим полум'ям в умовах слабо агресивного середовища витримують температури 1000-1100 °С.

Для роботи у високоагресивних середовищах при тиску до 100 МПа в інтервалі температур від - 196 до 700 °С можна використовувати сталь 10Х17Н13М2Т.

Наявність купруму у хромонікелевих сталях підвищує їх корозійну стійкість у непасивувальних або недостатньо пасиву вальних середовищах. Наприклад, зростає її стійкість у розбавленій сульфатній і хлорводневій кислотах, розчині NН4Сl та інших, що містять іони Cl⁻. Ще більш позитивні результати одержують при спільному легуванні купрумом і молібденом.

Завдяки підвищеній хімічній стійкості високолеговані сталі знаходять широке застосування в різних галузях хімічної промисловості: у виробництві складних добрив, фосфорної кислоти, соди і лугів, в азотній промисловості і у виробництві більшості солей. В наслідок високої міцності цих сталей апарати, що виготовлені з них, легші і надійніші, чим виготовлені з вуглецевих сталей для тих же умов роботи. Проте леговані сталі набагато дорожчі вуглецевих. Тому для виготовлення хімічної апаратури промисловість випускає двошарову листову сталь, що складається з основного матеріалу (вуглецева сталь), і захисного (плакуючого) шару із сталі 12Х18Н10Т, 08X13 та ін. Але згідно технічних умов застосування двошарової сталі обмежене, зокрема, для матеріалу, що складається зі ВСт3сп і 12Х18Н10Т, температурою стінки апарату 250 °С і тиском 5 МПа. Це викликано відмінністю в значеннях температурного коефіцієнта лінійного розширення основного і плакуючого шарів.

Будівельні низьколеговані сталі 09Г2С і 14Г2 з підвищеним вмістом мангану після гарячої прокатки або термічної обробки використовують для виготовлення зварних і клепаних конструкцій будівельних ферм, конструкцій мостів, рам і т.п. Манганову сталь марок 19Г і 14Г застосовують для виготовлення магістральних нафтопроводів, сталі 35ХС, 25Г2сп – для виробництва арматури звичайних і заздалегідь напружених залізобетонних конструкцій.

Низьколеговані сталі після прокатки зазвичай перевершують за технічним властивостям вуглецеві сталі. Оптимальне поєднання їх властивостей досягається при введенні декількох легуючих елементів (наприклад, сталі 10Г2С1Д, I5Г2СФ, I4Г2АФД та ін.) Конструкції, що експлуатуються при низьких температурах навколишнього середовища, виконують із сталей, легованих нікелем.

Низьколеговані низьковуглецеві сталі добре зварюються. Властивості зварних швів і прилеглих до них ділянок близькі до властивостей основного металу. Сталі, що використовуються для зварних конструкцій, містять алюміній або титан, які запобігають укрупненню зерна металу в біляшовній зоні. Легування купрумом, нікелем, хромом, фосфором сприяє збільшенню корозійної стійкості сталей в газоповітряних і вологих середовищах.

Машинобудівні цементовані леговані сталі. Стали цієї групи містять 0,1-0,3 % вуглецю і 0,2-4,4 % легуючих елементів. Експлуатаційні властивості виробів з низько- і середньолегованих сталей визначаються поєднанням властивостей поверхневого шару і серцевини. Міцнісні властивості шару на робочій поверхні виробів головним чином зумовлені вмістом в ньому вуглецю. За механічними властивостями після термохімічної обробки (цементації) сталі цієї групи поділяють на сталі середньої міцності (σ_т≤700 МПа) і сталі підвищеної міцності (σ_т>700 МПа).

Цементовані леговані сталі застосовують для виготовлення навантажених деталей, що зазнають знакозмінних та ударних навантажень (зубчастих коліс, валів, кулачків і т.п.). Характерні представники цієї групи – сталі 15ХФ, 15Х, 20Х – відрізняються середньої міцністю. Після загартовування в маслі серцевина деталей з таких сталей зміцнюється, але поверхневий шар чутливий до надрізу. Застосовують їх для виготовлення невеликих деталей, що експлуатуються при середніх навантаженнях.

До сталі підвищеної міцності відносять комплексно леговані і економно леговані. Цементовані сталі 12ХН3А, 20ХН3А, 20ХН4А застосовують для виготовлення деталей середніх та великих розмірів, що працюють в умовах інтенсивного зношування при підвищених навантаженнях (зубчастих коліс, поршневих пальців, вісей та ін.).

Особливо відповідальні деталі – зубчасті колеса, авіаційні двигуни, суднові редуктори – виготовляють із сталей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, які в залежності від температури порівняно мало знеміцнюються при відпусканні. Вони можуть бути використані і без цементації після загартовування і відпуска.

Машинобудівні покращені леговані сталі використовуються переважно після операції термічного поліпшення (загартовування і високого відпускання при температурі 500-600 °С).

Покращені леговані сталі характеризуються вмістом вуглецю 0,3-0,5 % і легуючих елементів не більше 5 %. Основне їх призначення – виготовлення відповідальних деталей машин для експлуатації при дії циклічних і ударних навантажень. Для цього вони повинні володіти низькою чутливістю до напружень, достатньою в'язкістю і пластичністю, високою межею текучості. Необхідний комплекс службових характеристик сталей забезпечується їх поліпшенням, наявністю наскрізної загартованості, дрібнозернистої структури і недопущенням відпускної крихкості.

Хромисті сталі 30Х, 40Х, 50Х застосовують для виготовлення середньонавантажених деталей машин і механізмів, технологічного оснащення.

Хромосиліційманганові сталі (хромансили) марок 30ХГСА, 35ХГСА відрізняються поєднанням високих механічних і технологічних властивостей. Добре зварюються і штампуються. Широко застосовуються в автомобілебудуванні.

Хромонікелеві сталі 40ХН, 50ХН мають високу прогартовуваність в поєднанні з достатньою міцністю і в'язкістю. З них виготовляють відповідальні деталі, що працюють при дії динамічних навантажень.

Хромонікельмолібденові сталі 40ХНМА, 38НХ3МА, 38ХН3МФА відносяться до числа найбільш міцних покращених сталей. Введення нікелю сприяє зниженню порогу тріщини і підвищенню прогартовуваністі сталі. Легування молібденом і вольфрамом забезпечує підвищення механічних властивостей сталі, стійкості її до впливу підвищених температур (до 450 °С). Використовують такі сталі для виготовлення особливо відповідальних великих деталей – валів і роторів турбін, компресорів, редукторів. Недоліки цієї групи сталей – важкість обробки різанням.

Широке застосування отримали середньовуглецеві сталі, зміцнені прогартовуванням і низьким відпуском (180-200 °С), які мають структуру відпущеного мартенситу. Міцність таких сталей визначається вмістом в них вуглецю і практично не залежить від легуючих елементів, які вводять для поліпшення прогартовуваності сталі, стійкості її після відпускання. Легування нікелем в поєднанні з іншими елементами знижує чутливість деталей з цих сталей до надрізу.

Мартенсітостаріючі сталі – безвуглецеві (не більше 0,03 % С) сплави феруму з нікелем, леговані кобальтом, молібденом, титаном, алюмінієм, хромом і іншими елементами.

Сталі цієї групи (Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т) є перспективними конструкційними матеріалами. Високі механічні властивості цих сталей досягаються за рахунок старіння мартенситу, легування твердого розчину і прогартовування на повітрі при температурах 800-860 °С. Утворений пересичений ферумнікелевий мартенсит поєднує досить високу міцність і пластичність. В основному зміцнення сталей досягається в результаті старіння при 450-500 °С.

Мартенситостаріючі сталі зберігають високі механічні характеристики при низьких температурах аж до зріджених газів. Такі сталі теплотривкі до 500-700 °С. Перевагою сталей даного класу є висока технологічність їх переробки. Вони добре зварюються, легко обробляються тиском, різанням навіть у прогартовуваному стані; при термічній обробці не піддаються викривленню.

Мартенситостаріючі сталі знаходять широке застосування для виготовлення відповідальних деталей в авіації, суднобудуванні, ракетній та кріогенній техніці.

Пружинні сталі. Сталі з високими межами пружності і витривалості, що поєднуються з достатньою їх пластичністю і в'язкістю, застосовують для виготовлення пружних елементів загального призначення – пружин, ресор, амортизаторів і т.п.

Для забезпечення необхідних експлуатаційних властивостей, в сталі вводять не менше 0,5 % вуглецю, піддають загартовуванню та відпусканню.

Пружні елементи простої форми виготовляють з термічно оброблених сталей. Великі пружини отримують навивкою відпаленого дроту.

Ресорно-пружинні сталі відносять до перлітного класу. Основними легуючими елементами таких сталей є силіцій, манган, хром, ванадій, нікель. Легування обумовлює в основному підвищення прогартованості сталі, межі її витривалості, зниження залишкових деформацій.

Силіцієві сталі 50С2, 55С2, 60С2 мають високу межу текучості і використовуються для виготовлення ресор автомобілів, торсіонних валів, пружин і ін. Сталі марок 60С2ХА, 60С2ФА застосовують для високо навантажених ресор і пружин.

Сталі марок 70С3А, 60С2ХА, 60С2Н2А володіють найбільш високими механічними властивостями і йдуть на виготовлення навантажених і відповідальних пружних елементів. Поверхневі дефекти виробів з таких сталей різко знижують довговічність пружин і ресор. Тому термін їхньої служби підвищують поверхневим наклепом [2,7,8].

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: