Металловедение для машиностроения: Справочник

Шмитт-Томас К. Г.

Металлургия, 1995 г.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Подразделение железных материалов происходит на нелегированные и легированные сорта. Понятие "железные материалы" определено европейской нормой 20—74 и ISO4 948, ч. I. По ней считаются железными материалами употребляемые для конструкционных деталей и материалов сплавы металлов, у которых массовая доля железа выше доли любого другого элемента. Сталью (в противоположность чугуну) считаются железные материалы, которые могут подвергаться ковке без последующей обработки. Стали вообще содержат, за исключением некоторых сортов с высоким содержанием хрома, менее 2 % С. При содержании приблизительно 2 % в системе железо—углерод имеет место начало эвтектикалей, т.е. с этого содержания углерода появляется до 4,3 % С наряду с у-твердым раствором эвтектика (ледебурит) (ср. рис. 9.4.1). Содержание С < 4,3 %, при превышении которого из расплава выделяется первичный цементит, представляет для технического чугуна максимальное значение.

Для определения области нелегированных сталей также благодаря существующим нормам (европейская норма 20—74, ISO4 948, ч. I) указываются предельные величины легирующих элементов для этой группы материалов. Для некоторых важных элементов устанавливаются предельные содержания: 0,5 % Si; 0,8% Мn; 0,1% А1 или Ti; 0,25% Сu. В группе легированных сталей производится дальнейшее разделение на низколегированные сорта с общим содержанием легирующих < 5 % и высоколегированные с содержанием их > 5 %.

Понятие "высококачественная сталь" означает, что качество стали (легированной или нелегированной) обеспечивается ограниченным содержанием неметаллических включений и нежелательных примесей. Так, например, для этой группы материалов имеет значение Р < 0,035 %, S< 0,035 %.

Наряду с высококачественными видами стали существуют еще качественная и рядовая сталь с более высокими предельными значениями примесей. К рядовой стали относятся по европейской норме только нелегированные сорта, которые должны выполнять определенные указанные там условия.

Важна для применения сталей и находит свое отражение в нормах и стандартах классификация по свойствам этих материалов. Для таких классификаций используются, как свойства переработки, так и условия производства или (соответственно) области применения. Так маркируются стали для определенной термообработки, например цементируемая сталь и сталь с улучшенной структурой, сталь с определенными свойствами для обработки давлением, например путем отбортовки или глубокой вытяжки, а также материалы с особыми свойствами для обработки металла резанием.

Области применения железных материалов, предписанные производственными требованиями, в основном характеризуются материалами с определенными уровнями прочности, жаропрочностью, жаростойкостью, коррозионной стойкости и кислотоупорности, а также рессорно-пружинные и инструментальные стали.

Нелегированные стали. Для классификации нелегированных сталей по содержанию углерода важным критерием является состояние эвтектоида при 0,8 % С. По нему можно различать доэвтектоидные и заэвтектоидные стали. В области доэвтектоидных сталей, а особенно в области до 0,5 % С, преобладают конструкционные стали, над ними располагаются в основном инструментальные стали. Более высокое содержание углерода имеют стали для большой износоустойчивости, рессорно-пружинные стали и сталь для проволочных канатов.

Улучшенная сталь — это закаливающаяся конструкционная сталь в основном с содержанием С от 0,2 до 0,6 %. Предел закаливаемости часто указывается с 0,2 % С. Одновременно это содержание углерода является ориентировочными данными для свариваемости стали, без необходимости* применять дополнительные меры, например подогрев или повторный отжиг. В области содержания С < 0,2 % находятся цементируемые стали. Эти стали применяются, если требуется наряду с вязкой сердцевиной твердая износоустойчивая поверхность. Чтобы достигнуть этого, с помощью диффузионного отжига содержание углерода в слое с уменьшенным количеством углерода в наружной зоне доводится максимально до 0,8 %, так что она благодаря закалке становится твердозакаленной. Науглероживание происходит в твердых, жидких и газообразных карбюризаторах. Цементация подобна нитроцементации.

Нелегированные стали с содержанием С < 0,08 % имеют лишь очень незначительные доли перлита. Такие материалы обладают очень хорошей способностью к холодной штамповке и соответственно нужными свойствами для обработки посредством штамповки, обработки давлением и глубокой вытяжки. Такие марки стали применяются как листовая сталь для автомобильных кузовов, а также как упаковочные листы, например с оловянным покрытием в виде луженой (белой) жести.

Вообще классификация стали четко указывает, как противоположно подвергаются влиянию под воздействием углерода прочность или твердость, вязкость или деформируемость. Так, высокопрочные стали имеют лишь незначительные запасы вязкости, так что, например, трещины в материале больше не затормаживаются и ведут к полному разрушению детали.

Преимущественно нелегированные и легированные стали после отливки в слитки или после непрерывной разливки прокатываются или куются. Стали могут применяться также в виде стального литья, причем благодаря литью они уже получают окончательную форму. Для изготовления стальных литых деталей применяется наряду с отливкой в песке или в металлических формах также центробежное, оболочковое и точное (прецизионное) литье.

Неблагоприятная структура стали, отлитой в слитки, устраняется последующей термообработкой, причем устраняются также трещины, например поры и раковины.  

Литая   сталь,   не   подвергнутая   такой   термообработке,   будет

содержать грубую    Видманштедтовую структуру литья с характерными ферритными полосами и обусловленными этим низкими значениями пластичности и вязкости и должна подвергаться последующей термообработке (см. гл. 12) (рис. 9.4.9).

У нелегированных сталей следует различать по качеству кипящие, полуспокойные и спокойные стали. У кипящих сталей кислородные реакции в расплаве достигают циркуляционных потоков в кокиле, причем в центре поперечного сечения слитка образуется зона сегрегации. Спокойные стали содержат зоны сегрегации в прибыльной части слитка, которая содержит также усадочную раковину. С отделением верхней части зона усадочной раковины и зона примесей удаляются. Соответственно при обработке спокойных сталей возникает определенное количество металлических отходов.

Для высококачественной стали, а особенно для легированной, применяется только спокойно отлитая сталь. Учитывая высокие требования к качеству, часто проводится дегазация отливки (вакуумное литье) (см. п. 11.5).