2. Машиностроительные стали

2.1. Основные определения и понятия

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемых строения, структуры, физико-химических и механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, Co, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al, B. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также P, S, N, Se, Te, Pb, Ce, La и др. Перечисленные элементы, а также H, O, Sn, Sb, As, Bi могут быть также применены в стали. Содержание легирующих элементов в стали может колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе ее производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых материалов. Содержание примесей в стали обычно ограничивается следующими пределами: Mn≤0,8%, Si≤0,4%, Cr≤0,3%, Ni≤0,3%, Cu≤0,3%, Mo≤0,10%, W≤0,2%, P≤0,025-0,040%, S≤0,015-0,050%.

Как видно, примесями и легирующими добавками могут быть одни и те же химические элементы. Отнесение их к тому или иному признаку зависит от количества и роли в стали.

Легированные стали – это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства.

В легированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем содержание этих же элементов в виде примесей.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, B) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента (В – в тысячных долях процента). Такие стали иногда называют микролегированными.

Из приведенных определений видно, что понятие специальные стали более широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям, кроме легированных могут относится и углеродистые стали, если им приданы специальные свойства посредствам определенных способов производства и обработки. Так к специальным сталям относятся следующие углеродистые стали определенного назначения и качества:

• качественные конструкционные;

• инструментальные;

• термически упрочненные;

• для холодной штамповки и др.

1. Классификация сталей

К машиностроительным относят конструкционные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин, механизмов и отдельных видов изделий.

В машиностроении потребляется около 40 % от производства в стране стали, и по числу марок машиностроительные стали являются самыми многочисленными. В зависимости от условий эксплуатации, а они в отдельных машинах и механизмах сильно различаются, требования к сталям будут не одинаковыми. Однако к конструкционным машиностроительным сталям предъявляется и целый ряд общих требований, основными из которых являются:

• высокая конструктивная прочность, определяемая оптимальным сочетанием прочности, вязкости и пластичности;

• необходимые технологические свойства – хорошая обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость, малая склонность к образованию трещин, короблению, обезуглероживанию при термической обработке;

• специальные свойства: износостойкость, теплоустойчивость, определенные физические свойства и т.д.

Существуют несколько признаков классификации машиностроительных сталей:

• по составу: углеродистые, легированные;

• по обработке: улучшаемые, нормализуемые, цементуемые, азотируемые, мартенситно-стареющие и т.д.;

• по назначению: пружинные, шарикоподшипниковые, криогенные и т.п.

Нет единой классификации сталей. Существует много признаков, по которым классифицируют стали, но зачастую и они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.

Рассмотрим классификацию сталей по наиболее общим признакам.

По химическому составу стали и сплавы черных металлов условно подразделяют на:

• углеродистые (нелегированные) стали;

• низколегированные стали;

• легированные стали;

• высоколегированные стали;

• сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламентированных соответствующими ГОСТами.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5% (кроме углерода), в легированных – от 2,5 до 10%, в высоколегированных – более 10% при содержании в них железа не менее 45%.

Сплавы на основе железа содержат железа менее 45%, но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.

В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а также хромоникелевыми, хромо-марганцовистыми, хромокремнистыми, хромованадиевыми, никель-молибденовыми, хромоникельмолибденовыми, хромомолибденованадиевыми, хромо-кремне-марганцо-воникелевыми и т.п.

По назначению специальные стали подразделяют на:

• конструкционные;

• инструментальные;

• стали с особыми физическими свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на:

• строительные;

• машиностроительные;

• стали и сплавы с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обработки материалов резанием или давлением и обладающая высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

Инструментальные стали подразделяют на:

• стали для режущего инструмента;

• штамповые стали;

• стали для измерительного инструмента.

К сталям и сплавам с особыми свойствами относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством:

• нержавеющие;

• жаропрочные и теплоустойчивые;

• износоустойчивые;

• с особенностями теплового расширения;

• с особыми магнитными и электрическими свойствами и т.д.

Внутри указанной классификации существуют более узкие подразделения сталей как по назначению, так и по свойствам.

Классификация сталей по структуре в значительной степени условна.

По структуре сталей в равновесном состоянии их делят на:

• доэвтектоидные;

• эвтектоидные;

• заэвтектоидные.

Легирующие элементы изменяют содержание углерода в эвтектоиде по отношению к его положению в углеродистой стали. Поэтому в зависимости от сочетания легирующих элементов положение эвтектоидной точки может быть при разном содержании углерода.

Другим условным структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воздухе образцов небольших сечений после высокотемпературного нагрева (~900°С). При этом в зависимости от структуры стали подразделяют на:

• перлитные;

• бейнитные;

• мартенситные;

• ледебуритные;

• ферритные;

• аустенитные.

Перлитные и бейнитные стали чаще всего бывают углеродистыми и низколегированными, мартенситные – легированными и высоколегированными, а ферритные и аустенитные, как правило, высоколегированные. Однако такая связь между структурой и легированностью стали далеко неоднозначна. Наряду с перечисленными могут быть смешанные структурные классы:

• ферритно-перлитный;

• феррито-мартенситный;

• аустенито-ферритный;

• аустенито-мартенситный.

Такая классификация применяется при наличии не менее 10% феррита (как второй структуры).

По качеству стали подразделяют на:

• стали обыкновенного качества;

• качественные стали;

• высококачественные стали;

• особовысококачественные стали.

Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как фосфора и серы. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы, % (не более), в сталях разной категории качества:

	Р	S
Обыкновенного качества……	0,040	0,050
Качественная………………….	0,035	0,035
Высококачественная…………	0,025	0,025
Особовысококачественная…..	0,025	0,015

Категория обыкновенного качества может относится только к углеродистым сталям. Все остальные категории качества могут относится к любым по степени легирования сталям

Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, относящимся к разным сталям, существуют более частные классификации определенных групп сталей, которые будут рассмотрены в соответствующих частях.