Глава 1. классификация и маркировка сталей
Начиная с середины II тысячелетия до нашей эры человечество вступило в период, именуемый «железным веком». Последний характеризуется освоением производства и включением в обиход заметных количеств нового материала – железа. Вплоть до середины XVIII в. Осуществлялось производство сыродутного или кричного железа, имеющего очень малое содержание углерода и поэтому очень пластичного, или ковкого – в терминах прошлого. Придание кованым железным изделиям – главным образом, холодному оружию и доспехам – значительной твердости и прочности так или иначе сводилось к науглероживанию железа и превращению его в сталь. Именно сталь в отличие от железа способна к упрочнению закалкой. Немногочисленные, часто экзотические способы получения твердых стальных изделий хранились в строжайшем секрете, секреты часто утрачивались со смертью владельца, иногда через столетия возрождались и снова терялись. Это относится, в частности, к стали, дошедшей до нас в виде редких образцов холодного оружия и называемой булатом, иногда дамасской сталью. Еще в средневековье различали литой булат и кованыйбулат [1].
В названиях того периода прослеживается разделение стальных изделий на классы. Некоторые названия имеют «географический» аспект, другие – технологический. Впоследствии появились и другие классификационные признаки – фамилия изобретателя, торговая марка и т.д. До начала XIX в. в технике употребляли, например, такие названия, как «свейское (шведское) железо», «Старый русский соболь» (демидовское железо), «шеффилдская сталь», «тигельная сталь», «бадаевская (Семена Бадаева) сталь». В середине XIX в. были запатентованы новые способы получения стали из чугуна: бессемеровский, мартеновский, томасовский. Соответственно появились и новые названия производимых сталей, образованные по фамилиям изобретателей и впоследствии прочно вошедшие в практику как указание на технологию производства. Перечисленные способы передела чугуна в сталь позволяли получать сталь с прогнозируемыми или заданными технологическими и эксплуатационными свойствами. Это сделало возможным производство не одной стали, «какая получится», а многих требуемых сталей. Параллельно возникла необходимость их различать, начали создаваться способы и системы классификации, а затем и маркировки. В силу разных обстоятельств системы классификации сталей, развиваемые в различных индустриальных странах, скорее интернациональны (имеют много общего), а системы маркировки, как правило, складываются
как национальные. В настоящее время известны самостоятельные системы маркировки России, Болгарии, Венгрии, Польши, Италии, Франции, США, Японии и др. Одновременно приходится решать проблему сопоставления стандартных марок сталей различных стран [2].
Зарубежные аналоги некоторых отечественных марок легированных сталей приведены в таблице 1.1 [3].
Таблица 1.1
Зарубежные аналоги ряда отечественных марок легированных сталей
| Россия, ГОСТ | Германия, DIN* | США, ASTM* | Япония, JIS* |
| 15Х | 15Cr3 | SCr415 | |
| 40Х | 41Сг4 | SСг440 | |
| 30ХМ | 25СгМо4 | SСМ430,SСМ2 | |
| 12ХГ3А | 14NiCr10** | – | SNC815 |
| 20ХГНМ | 21NiСгМо2 | SNСМ220 | |
| 08X13 | Х7Сr1З** | 410S | SUS410S |
| 20X13 | Х20Сг13 | SUS420J1 | |
| 12X17 | Х8Сг17 | SUS430 | |
| 12Х18Н9 | Х12СгNi8 9 | SUS302 | |
| 08Х18Н10Т | Х10CrNiTi18 9 | SUS321 | |
| 10Х13СЮ | Х7CrA133** | 405** | SUS405** |
| 20Х25Н20С2 | Х15CrNiSi25 20 | 30314,314 | SСS18, SUH310** |
*DIN (Deutsche Industrienorm), ASTM (American Societi for Testing Materials), JIS (Japaneese industrial Standart).
**Сталь, близкая по составу.
Характеристика классификационных признаков
И классификация сталей
К числу современных классификационных признаков сталей относятся следующие:
1) качество;
2) химический состав;
3) назначение;
4) металлургические особенности производства;
5) микроструктура;
6) традиционный способ упрочнения;
7) традиционный способ получения заготовок или деталей;
8) прочность.
Кратко охарактеризуем каждый из них.
1. Качество стали определяется в первую очередь содержанием вредных примесей – серы и фосфора – и характеризуется по четырем категориям (см. табл. 1.2).
Категория «обыкновенного качества» включает только углеродистые (по химическому составу) стали. Все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.
Таблица 1.2
Категории качества стали
| Наименование категории | Содержание вредных примесей (не более), мас. % | Способ обозначения в марке | |
| серы | фосфора | ||
| Обыкновенного качества | 0,050 | 0,040 | Системообразующий символ Ст |
| Качественная | 0,035 | 0,035 | Без символа Ст* |
| Высококачественная | 0,025 | 0,025 | Символ А в конце марки |
| Особовысококачественная | 0,015 | 0,015 | Символ -Ш в конце марки |
*Подробнее см. п. 1.2.
2. По химическому составу стали условно разделяют на углеродистые (нелегированные) и легированные.
Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Содержащиеся в углеродистых сталях элементы, кроме углерода, относятся к числу так называемых постоянных примесей. Их концентрация должна находиться в пределах, определяемых соответствующими государственными стандартами (ГОСТами). В табл. 1.3. даются усредненные предельные значения концентрации некоторых элементов, позволяющие относить эти элементы к разряду примесей, а не легирующих элементов. Конкретные пределы содержания примесей в углеродистых сталях дают ГОСТы.
Легирующие элементы, иногда называемые легирующими добавками или присадками, специально вводятся в сталь для получения требуемой структуры и свойств.
Легированные стали подразделяются по суммарной концентрации легирующих элементов, кроме углерода, на низколегированные (до 2,5 мас.%),
легированные (от 2,5 до 10 мас.%) и высоколегированные (более 10 мас.%) при содержании в последних железа не менее 45 мас.%. Обычно вводимый легирующий элемент дает легированной стали соответствующее название: «хромистая» – легированная хромом, «кремнистая» – кремнием, «хромокремнистая» – хромом и кремнием одновременно и т.д.
Таблица 1.3.
Предельные концентрации постоянных примесей
в углеродистой стали, масс.%, не более
| Элемент | Предельная концентрация | Элемент | Предельная концентрация | |
| Mn | 0,8 | Mn | 0,8 | |
| Si | 0,35 | Si | 0,35 | |
| Cr | 0.25 | Cr | 0.25 |
Кроме того, выделяют сплавы на основе железа, в составе которых железа менее 45%, но его больше любого другого легирующего элемента.
3. По назначению стали подразделяют на конструкционные и инструментальные.
Конструкционными считаются стали, применяемые для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении, строительстве и приборостроении. Они должны обладать необходимой прочностью и пластичностью, а также, если требуется, комплексом специальных свойств (коррозионной стойкостью, определенными магнитными свойствами и т. д.). Как правило, конструкционные стали являются низко- (или мало-) и среднеуглеродистыми. Твердость не является для них решающей механической характеристикой.
Инструментальными называются стали, применяемые для обработки материалов резанием или давлением, а также для изготовления измерительного инструмента. Они должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью и рядом других специфических свойств, например, теплостойкостью. Необходимым условием получения высокой твердости является повышенное содержание углерода, поэтому инструментальные стали, за редким исключением, всегда являютсявысокоуглеродистыми.
Внутри каждой из вышеназванных групп сталей имеет место более детальное деление по назначению. Конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные и стали специального применения (с особыми свойствами – жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие, немагнитные).
Инструментальные стали разделяют на стали для режущего инструмента, штамповые стали и стали для измерительного инструмента.
Общим эксплуатационным свойством инструментальных сталей является высокая твердость, обеспечивающая сопротивляемость инструмента деформации и истиранию его поверхности. В то же время к сталям для режущего инструмента предъявляется специфическое требование – сохранять высокую твердость при повышенных температурах (до 500…600ºС), которые развиваются в режущей кромке при больших скоростях резания. Указанная способность стали называется ее теплостойкостью (или красностойкостью).
По вышеназванному критерию стали для режущего инструментаподразделяют на нетеплостойкие, полутеплостойкие, теплостойкие и повышенной теплостойкости. Две последние группы известны в технике под названием быстрорежущихсталей.
От штамповых сталей помимо высокой твердости требуется большая вязкость, так как штамповый инструмент работает в условиях ударного нагружения. Кроме того, инструмент для горячей штамповки, соприкасаясь с нагретыми металлическими заготовками, при длительной работе может разогреваться. Поэтому стали для горячей штамповки должны быть еще и теплостойкими.
Стали для измерительного инструмента помимо высокой износостойкости, обеспечивающей точность размеров в течение длительного срока службы, должны гарантировать стабильность размеров инструментов независимо от температурных условий эксплуатации. Другими словами, они должны иметь очень небольшое значение коэффициента теплового расширения.