Строительные стали

Легированные стали. Классификация и маркировка легированных сталей

Классификация по структуре включает классификацию по равновесной структуре и структуре в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе).

По равновесной структуре различают стали:

- доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит;

- эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;

- заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды;

- ледебуритные, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. В литомвиде избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит, который при ковке или прокатке разбивается на обособленные карбиды и аустенит.

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенчитный, аустенитный, ферритный.

Стали перлитного класса – низколегированные, имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита. При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или тростита, в которой могут присутствовать избыточные феррит или карбиды.

Стали мартенситного класса при охлаждении на воздухе закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне и высокоуглеродистые стали легированные Cr, W, V, Mo и др. элементами стабилизирующими область α-Fe. Стали аустенитного класса содержат повышенное количество Mn или Ni (обычно в сочетании с хромом), поэтому имеют интервал мартенситного превращения ниже 0⁰С и сохраняют аустенит при комнатной температуре.

Стали ферритного класса содержат повышенное количество легирующих элементов, стабилизирующих область α-Fe(Cr, V, W, Mo, Si и др.) при незначительном количестве углерода. Интервал мартенситного превращения сталей ниже 0^оС.

Легирующие элементы в конструкционных сталях.

Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, никель, кремний, марганец. Остальные легирующие элементы вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и др. вводят в сталь в сочетании с основными элементами для дополнительного улучшения свойств. Легированные стали применяют после закалки и отпуска, поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам не отличаются практически от углеродистых. Для достижения высокой прокаливаемости стали легируют как дешевыми элементами – марганцем, хромом, бором, так и более дорогими – никелем, молибденом. Наиболее сильно повышает прокаливаемость введение нескольких элементов: Cr+Ni, Cr+Mo, Cr+Ni+Mo и др.

Хром вводят в количестве до 2%. Он повышает твердость и прочность, увеличивает прокаливаемость.

Никель – наиболее ценный и в то же время дефицитный и дорогостоящий легирующий элемент повышает пластичность и вязкость стали, увеличивает прокаливаемость, понижает температурный порог хладноломкости. В конструкционные стали его вводят совместно с хромом и другими легирующими элементами в количестве 1-5%.

Марганец вводят до 2%. Он повышает прочность, улучшает прокаливаемость, однако делает сталь чувствительной к перегреву.

Кремний сильно повышает предел текучести, снижает вязкость и пластичность сталей, затрудняет разупрочнение стали при отпуске, повышает прокаливаемость, количество его в конструкционных сталях не превышает 2%.

Молибден и вольфрам (дорогостоящие элементы) уменьшают величину зерна, повышают твердость и прочность сталей, увеличивают прокаливаемость. Количество молибдена 0,2-0,4%, вольфрама 0,8-1,2%. Молибден значительно повышает механические свойства стали после цементации и нитроцементации.

Ванадий и титан – сильные карбидообразующие элементы; добавляют в количестве до 0,3%V и до 0,1%Ti в стали содержащие хром, марганец, никель для измельчения зерна.

Бор вводят в микродозах (0,002-0,005%) для увеличения прокаливаемости.

Маркировка легированных сталей. Обозначения марок легированных сталей состоят из сочетания букв и цифр, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначают буквой: Н – никель; Х – хром; Г – марганец; В – вольфрам; М – молибден; Ю – алюминий; С – кремний; Ф – ванадий; К – кобальт; Д – медь; Р – бор; Т – титан; Б – ниобий; А – азот (в середине наименования); Ц – цирконий; П – фосфор.

Число, стоящее в начале марки указывает среднее содержание углерода. Если это число двузначное, то оно соответствует содержанию углерода в сотых долях процента (у всех сталей, кроме инструментальных), если однозначное – в десятых долях процента; если перед маркой нет числа, то это означает, что содержание углерода равно или больше одного процента. Цифры после буквы указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в процентах. Отсутствие цифры указывает, что оно составляет 1-1,5% и менее. Исключение сделано для молибдена и ванадия для которых отсутствие цифры соответствует содержанию их не более 0,3%.

Например, сталь 12ХН3 в среднем содержит 0,12%С, 1%Cr, 3%Ni. Сталь 25Х2М1Ф – 0,25%С, 2%Cr, 1%Мо, 0,3%V.

Сталь 9ХС – 0,9%С, 1%Cr, 1%Si. Сталь Х12Ф1 - >1%C, 12%Cr, 1%V.

В сталях целевого назначения, в которых изменение количества легирующего элемента вызывает значительное изменение свойств, цифра не ставится, если содержание легирующего элемента менее 1%. Например по ГОСТ20072 – 74. Сталь теплоустойчивая, марка 12Х1МФ обозначает сталь содержащую в среднем 0,12%С, 1%Cr, 0,2%V, 0,3%Мо.

Высококачественные стали обозначаются буквой А в конце наименования марки, например 30ХГСА. Особовысококачественные обозначают добавлением через тире буквы Ш, например 18ХГ – Ш, 20ХГНТР – Ш и др. Существуют и другие отклонения от общепринятых маркировок сталей. Обозначение таких марок будет приведено при рассмотрении этих сталей. Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (пробная) и порядковым номером (например ЭИ415, ЭП716 и т.д.). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.

 

Строительные стали применяются для изготовления строительных конструкций – мостов, газо- и нефтепроводов, ферм и т.д. Все строительные конструкции, как правило, являются сварными и свариваемость одно из основных свойств строительных сталей. Поэтому строительные стали содержат углерода до 0,25%. По химическому составу строительные стали – углеродистые и низколегированные, содержащие небольшое количество марганца и кремния, как наиболее дешевых легирующих элементов. Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо свариваются, не образуют при сварке холодных и горячих трещин. Для повышения механических свойств стали дополнительно легируют ванадием и молибденом. Добавки никеля понижают порог хладноломкости. Добавки меди с никелем или меди с фосфором повышают коррозионную стойкость в атмосферных условиях.

Строительные стали у потребителя не подвергаются термической обработке. Структура и служебные характеристики формируются при производстве сталей путем проведения термической обработки или регулированием теплового и механического режимов прокатки.

Маркировка сталей. Строительные стали по ГОСТ 27772-88 обозначаются буквой С (строительная) и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Буква К в конце наименования указывает на стали с повышенной коррозионной стойкостью, буква Т – на термоупрочненный прокат, а буква Д – на повышенное содержание меди, например, 235, С245, С255, С345Т, С390К, С440Д и т.д.

 

Стали высокой обрабатываемости резанием (автоматные стали)

Для деталей, производимых в больших количествах на станках автоматах (болты, гайки, винты, втулки, кольца и т.д.), используют так называемые автоматные стали, обладающие повышенной обрабатываемостью резанием. В качестве автоматных применяют углеродистые и легированные стали с повышенным содержанием серы (0,08-0,3%) и фосфора (0,06%). В сталях сера находится в основном в виде сульфидов марганца (MnS), которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. Фосфор способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности. Однако применение сернистых сталей ограничивается из-за некоторого снижения механических свойств и коррозионной стойкости.

Улучшение обрабатываемости сталей достигается также легированием свинцом (0,15-0,3 %). Свинец присутствует в стали в виде мелких округлых включений и действует как разрушитель стружки сильнее чем MnS. Присадки свинца к легированным сталям мало влияют на их механические свойства. После оптимальной термической обработки такие стали используются для изготовления нагруженных деталей в автомобильной и тракторной промышленности. Недостаток применения свинца – необходимость специальных мер при производстве свинцовистых сталей из-за токсичных выделений. Стали, подвергающие сложной механической обработке, а также нержавеющие стали дополнительно легируют селеном (0,04-0,10 %) и кальцием, что позволяет дополнительно увеличить скорость резания и стойкость инструмента.

Обозначения автоматных сталей по ГОСТ 1414-75 начинаются с буквы А (автоматная) – содержит повышенное количество серы и фосфора. Если сталь легирована свинцом, то ее обозначение начинается с букв АС. Для отражения содержания остальных элементов используются те же правила, что и для конструкционных углеродистых и легированных сталей. Например, А12 – автоматная сталь с содержанием углерода ≈0,12%, серы 0,08-0,15 %, фосфора 0,15-0,30 %. АС20ХГНМ – автоматная свинецсодержащая, С ≈0,20%, Cr = 0,4-0,7%, Mn ≈1%, Ni = 0,4-0,7%, Мо = 0,15-0,25%. Присутствие в обозначении марки буквы Е указывает на присутствие селена.