Легированные качественные инструментальные стали
Стали этой группы маркируются с применением двух ключевых (системообразующих) символов – однозначногочисла, показывающего среднюю концентрацию углерода в десятыхдолях процента, и символа (-ов) легирующих элементов (см. табл. 1.6).
Обычно за символами легирующих элементов следует цифра или целое число, указывающее примерное количество процентов легирующей добавки. Если ее содержание не превышает 1,5 мас.% и округленное целое число равно 1, единица в марке не ставится. Таким образом отсутствие в марке числа после символа легирующего элемента по умолчанию свидетельствует, что его концентрация не превышает 1,5 мас.%.
Следует помнить, что в случаях, когда средняя концентрация углерода в стали составляет десять десятых (и более) процента, двузначные числа 10, 11 и далее в начале марки не ставятся. Редкими исключениями являются несколько марок – 11ХФ, 13Х.
Буква А в конце марки указывает на принадлежность стали к категории высококачественной, а символ -Ш (иногда без черточки перед буквой) – на то, что сталь особо высококачественная.
Если сталь содержит в качестве легирующей добавки азот, символ Абудет стоять в середине марки, например 9Х4М3Ф2АГСТ-Ш.
Для отнесения химического элемента к легирующим добавкам или постоянным примесям стали можно воспользоваться граничными значениями их концентрации, приведенными в табл. 1.3.
Примеры записи марок легированной качественной инструментальной стали выглядят следующим образом: 7ХФ,9ХС,ХВГ,11ХФ, 8Х4В2М2Ф2А, 5ХНМ,Х12М,9Х4М3Ф2АГСТ-Ш ( см.табл. 1.5).
Шарикоподшипниковые стали
Стали для подшипников имеют собственную маркировку, по назначению составляют особую группу конструкционных сталей, хотя по составу и свойствам они близки к инструментальным сталям [6]. Термин «шарикоподшипниковые» определяет их узкую область назначения – подшипники качения (не только шариковые, но также роликовые и игольчатые). Первая отечественная шарикоподшипниковая сталь была выплавлена на рубеже 20-х и 30-х г.г.ХХ в. Для ее маркировки была предложена аббревиатура ШХ – шарикоподшипниковая хромистая, – за которой ставится число десятых долей процента средней концентрации хрома. Из ранее широко известных марок ШХ6, ШХ9и ШХ15 в употреблении осталась марка ШХ15. Для всех сталей группы ШХ характерно содержание 0,95…1,05 мас. % углерода, 0,20 мас.% марганца, 0,17…0,37 мас.% кремния. Если бы сталь указанного химического состава выплавлялась как низколегированная инструментальная, ей была бы присвоена марка Х. Отличие шарикоподшипниковой стали от аналогичной инструментальной – в более жестких требованиях к количеству неметаллических включений и равномерности распределения карбидов в микроструктуре.
Принятая в начале ХХ в. для подшипниковых сталей система маркировки явно менее информативна по сравнению с правилами, принятыми в рассмотренных выше маркировочных группах. Усовершенствование стали ШХ15 путем введения в нее дополнительных легирующих добавок (кремния и марганца) своеобразно отразилось в маркировке – распространением на специфическую систему более поздних правил обозначения легирующих элементов в составе легированных сталей: ШХ15СГ, ШХ20СГ. Разработка и освоение новых подшипниковых сталей специального применения (теплостойких и коррозионностойких) ознаменовались отказом от маркировки ШХ и переходом к правилам, применяемым в маркировочных группах 4 и 5. Примером служит марка 95Х18-Ш[7].
Идентичность состава и свойств подшипниковых и инструментальных теплостойких сталей объясняет включение в группу подшипниковых таких сталей, которые и по маркировке относятся к инструментальным: 8Х4М4В2Ф1Ш, 8Х4В9Ф2Ш [8].
Быстрорежущие стали
В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять высокую твёрдость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке инструмента при резании с большой скоростью. Подобный эффект достигается введением в сталь большого количества вольфрама как основного легирующего элемента. Классический состав быстрорежущей стали, предложенный на рубеже XIX – XX в.в. включает в себя, примерно: 18 мас.% W, 4 мас.% Cr, 1,4 мас.% V и 0,7 мас.% С.
В России быстрорежущие стали специфически маркируются буквой русского алфавита Р, соответствующей первому звуку в английском слове «rapid» – быстрый, скорый. Далее следует целое число процентов вольфрама.
В составе всех быстрорежущих сталей присутствует около 4 мас.%
хрома, поэтому в специфической системе маркировки содержание хрома не отражается. Если ванадий присутствует в стали в количестве менее 1,5 масс.%, то он в маркировке также не отражается. Таким образом, указанный классический состав быстрорежущей стали запишется в виде марки Р18. При разных концентрациях вольфрама быстрорежущие стали этого класса маркируют как Р9, Р12.
В связи с дефицитностью и дороговизной вольфрама, начиная с 70-х годов ХХ века, практически во всех странах произошел переход на вольфрамомолибденовую сталь Р6М5 без азота и Р6АМ5 с азотом [8]. Аналогично маркировке подшипниковых сталей, произошло слияние (своего рода «гибридизация») двух систем маркировки.
Разработка и освоение новых быстрорежущих сталей с кобальтом и ванадием обогатило арсенал «гибридных» марок: Р6АМ5Ф3, Р6М4К8, 11Р3АМ3Ф2 – а также привело к появлению вообще безвольфрамовых быстрорежущих сталей, которые маркируются в специфической системе (Р0М5Ф1, Р0М2Ф3) или полностью по-новому: 9Х6М3Ф3АГСТ-Ш, 9Х4М3Ф2АГСТ-Ш [9].
1.2.8. Стали повышенной обрабатываемости (автоматные)
Указанные стали в зависимости от химического состава делятся на несколько классификационных групп и соответственно составляют несколько маркировочных групп. В основе классификации – вид легирующей добавки, иначе, присадки (или их комбинаций), приводящей к легкому отделению стружки. В качестве таких присадок используют серу, селен, свинец, кальций.
Число и наименование классификационных групп автоматных сталей претерпевают изменения по мере разработки и освоения новых марок и вытеснения старых. Иллюстрацией могут служить сравнительные данные из двух изданий справочника «Машиностроительные стали» – 1981 и 1992 гг. приведенные в табл. 1.7[10,11].
Из данных табл. 1.7 следует, что за десятилетие практически исчез класс сернисто-селенистых сталей, и на смену им пришли стали, характеризуемые совместным введением двойных (S+Pb, S+Ca) и тройного (S+Ca+Pb) комплексов присадок. Однако состав маркировочных групп и правила маркировки автоматных сталей при этом практически не изменились.
Обозначения некоторых присадок в автоматных сталях иные, чем принятые в маркировке легированных сталей: свинец – С, кальций – Ц. Сера не обозначается, а селен имеет то же обозначение – Е.
Таблица 1.7
Сравнительный состав классификационных групп
автоматных сталей
| Наименование классификационных групп автоматных сталей | ||
| в 1981 г. | в 1992 г. | |
| Углеродистая сернистая | . Углеродистая сернистая | |
| Углеродистая свинецсодержащая | Углеродистая свинецсодержащая | |
| Углеродистая сернистоселенистая | Легированная свинецсодержащая | |
| Хромистая сернистоселенистая | Углеродистая кальцийсодержащая | |
| Сернистомарганцовистая свинецсодержащая | Легированная кальцийсодержащая | |
| Легированная свинецсодержащая | Легированная кальцийсвинецсодержащая |
Ключевым (системообразующим) символом в марке любой автоматной стали является буква А в начале. В зависимости от того, что следует за ней, можно выделить пять маркировочных групп стале:
1) углеродистые и легированные сернистые;
2) углеродистые и легированные сернистоселенистые;
3) углеродистые и легированные свинецсодержащие;
4) углеродистые и легированные кальцийсодержащие;
5) легированные кальцийсвинецсодержащие.
Углеродистые и легированные сернистые стали маркируются буквой А, за которой следует марка углеродистой или легированной качественной конструкционной стали:
|
А ;
|
А .
Примеры: А11, А20, А30, А35, А40Г.
В зависимости от марки концентрация серы в стали составляет 0,08…0,30 мас.%.
6) Углеродистые и легированные сернистоселенистые стали маркируются буквой А, за ней следует марка углеродистой или легированной
качественной конструкционной стали и в конце ставится символ «Е», соответствующий селену:
|
А Е;
|
А Е.
Примеры: А35Е, А45Е, А40ХЕ.
В зависимости от марки концентрация серы в стали составляет 0,06…0,12 мас.%, а селена – 0,04…0,10 мас.%.
Углеродистые и легированные свинецсодержащие стали маркируются буквосочетанием АС, за которым следует марка углеродистой или легированной качественной конструкционной стали:
|
АС ;
|
АС. .
Примеры: АС14, АС40, АС20ХГНМ, АС40ХГНМ.
Вне зависимости от марки концентрация свинца в стали составляет 0,15…0,30 мас.%.
Углеродистые и легированные кальцийсодержащие стали маркируются буквосочетанием АЦ, за которым следует марка углеродистой или легированной качественной конструкционной стали:
|
АЦ ;
|
АЦ .
Примеры: АЦ40, АЦ35Х, АЦ20ХГНМ.
Микролегирование стали кальцием проводят специальным сплавом, именуемым силикокальцием, из расчета введения 0,03…0,09 мас.% Са в жидкий металл.
Легированные кальцийсвинецсодержащие стали маркируются буквосочетанием АСЦ, за которым следует марка легированной качественной конструкционной стали:
|
АСЦ.
Пример: АСЦ30ХМ.
В стали содержится 0,15…0,30 мас.% свинца и не менее 0,001…0,002 мас.% кальция.
Глава 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА
ЧУГУНОВ
Классификация чугунов
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, имеющие в своем составе более 2,14 мас.% С.
Чугуны выплавляют для передела в сталь (передельные), для получения ферросплавов, играющих роль легирующих присадок, а также как высокотехнологичные сплавы для получения отливок (литейные).
Отличительным структурным признаком чугунов является присутствие эвтектики [12], которая в системе сплавов «железо – цементит» получила название «ледебурит». Наличие эвтектического превращения резко снижает температуру плавления, что и обусловливает использование чугунов в качестве литейных сплавов.
Углерод может находиться в чугуне в виде двух высокоуглеродистых фаз – цементита (Fe3C) и графита, а иногда одновременно в виде цементита и графита. Чугун, в котором присутствует только цементит, дает светлый блестящий излом и поэтому называется белым. Присутствие графита придает излому чугуна серый цвет. Однако не всякий чугун с графитом относится к классу так называемых серых чугунов. Между белыми и серыми чугунами лежит класс половинчатых чугунов.
Из теории фазовых превращений и практики термической обработки железоуглеродистых сплавов известно, что цементит является неустойчивой фазой и при нагреве распадается на железо (точнее, твердый раствор углерода в железе) и углерод в виде графита (рис. 2.1)
Аустенит + графит( Т°С > 727)
Цементит
Феррит + графит,( Т°С < 727).
Рис. 2.1. Механизм распада цементита при нагреве
Такой распад называется графитизацией. Из всех возможных форм цементита в чугунах: первичного, цементита ледебурита, цементита перлита, – в первую очередь графитизируется первичный, затем – цементит ледебурита и в последнюю очередь – цементит перлита.
Половинчатыми чугунами называют чугуны, в структуре которых, несмотря на графитизацию, хотя бы частично сохранился цементит ледебурита, а, значит, присутствует собственно ледебурит – имеющая специфический вид эвтектическая структурная составляющая.
К серым относят чугуны, в которых полностью распался цементит ледебурита и последнего в структуре не стало. Серый чугун состоит из графитных включений и металлической основы. Эта металлическая основа представляет собой перлитную (эвтектоидную), феррито-перлитную (доэвтектоидную) или ферритную (малоуглеродистую) сталь. Указанной последовательности видов металлической основы серых чугунов соответствует все большая степень распада цементита, входящего в состав перлита.
Форма графитных включений зависит от того, как протекает процесс образования графита в чугуне. Включения графита, образующиеся непосредственно в процессе первичной кристаллизации, имеют вид розы с лепестками (розетки). Отдельные лепестки-пластинки в сечении микрошлифа выглядят как длинные полоски. Такая форма графита присутствует в сером чугуне, который получил название чугуна с пластинчатым графитом.
Если перед первичной кристаллизацией чугун модифицируют путем обработки расплава магнием или другими лигатурами, образующийся графит имеет шаровидную (глобулярную) форму. Его название – «высокопрочный чугун с шаровидным графитом»,или сокращенноЧШГ. Уменьшая количество модификатора, добиваются получения графитных включений в форме отдельных продолговатых включений, напоминающих вермишель. Соответствующее название чугуна – «чугун с вермикулярным графитом», сокращенноЧВГ.
Длительный нагрев при высоких температурах (отжиг) отливок из белого чугуна приводит к образованию графита в форме хлопьев. Полученный продукт называют чугуном с хлопьевидным графитом или ковким чугуном.
Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов (трещин), ослабляющих металлическую основу структуры. Вариацией металлической основы (феррит, феррит+перлит, перлит) и формы включений графита (пластины, хлопья, глобулы) можно в относительно широких пределах изменять прочность и вязкость литых изделий из чугуна. Наличие графита придает чугунам высокую обрабатываемость резанием, уменьшает коэффициент трения скольжения, т.е. делает чугун антифрикционным материалом.
Серые технические чугуны представляют собой, по существу, тройные сплавы Fe-Si-C с постоянными примесями Mn, P, S. Легированием чугуна можно добиться придания ему специальных эксплуатационных и физических свойств – жаростойкости (окалиностойкости), коррозионной
стойкости, жаропрочности, ростоустойчивости (неизменности размеров чугунного изделия при многократных нагревах и охлаждениях), парамагнетизма (немагнитности).В ряде случаев белые и половинчатые чугуны также используются в качестве конструкционного материала. Их преимущество – высокая твердость, обусловленная мартенситной металлической основой и включениями цементита или специальных карбидов. Именно высокая твердость обеспечивает изделиям из этих чугунов важное эксплуатационное свойство – износостойкость, или способность противостоять абразивному, абразивно-ударному и абразивно-коррозионному изнашиванию.
Все перечисленные классы и конкретные названия серых и белых чугунов систематизированы в двух классификационных схемах на рис.2.2 и 2.3. Изучение фазовых превращений в чугунах и опора на указанные схемы позволит лучше уяснить правила маркировки отдельных классов чугунов.