Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

Классификация сталей и сплавов производится:

• по химическому составу
• по структурному составу
• по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей
• по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице
• по назначению

По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

• малоуглеродистые - менее 0,3% С;
• среднеуглеродистые - 0,3-0,7% С;
• высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, Al, B, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

• низколегированные - менее 2,5%;
• среднелегированные - 2,5-10%;
• высоколегированные - более 10%.

Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

• в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
• в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аустенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.

По качеству, то есть по способу производства и содержанию вредных примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы:

Стали обыкновенного качества
Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Стбкп.
Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.
Стали качественные

Cтепень раскисления и характер затвердевания металла в изложнице

Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложницеделятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.
Стали высококачественные
Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.
Стали особовысококачественные
Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали
Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.

Строительные стали
К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям - их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.

Стали для холодной штамповки
Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.

Цементируемые стали
Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).

Улучшаемые стали
К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению - термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали
Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях - таких, как 30ХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ.

Пружинные стали
Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Подшипниковые стали
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Автоматные стали
Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.), обрабатываемых на станках-автоматах. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой. Недостаток автоматных сталей - пониженная пластичность. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ.

Износостойкие стали
Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.). Пример износостойкой стали - высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали - легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях - нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость.
Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть:
ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20X17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 - для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);
ферритной (15X28) - для растворов азотной и фосфорной кислот; аустенитной (12Х18Н10Т) - в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;
мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфорной, уксусной и молочной кислотах.
Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные .
- Коррозионно-стойкие стали
Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.
- Жаропрочные стали
Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1-0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Co и др.). Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, йодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления. Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74):
при 400-550°С - 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ;
при 500-600°С - 15Х5М, 40Х10С2М, 20X13;
при 600-650"С - 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР,ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН62МВКЮ.
- Жаростойкие стали
Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглероживающих средах (20Х20Н14С2, 20Х23Н18) и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Сг до +1300°С. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.
- Криогенные стали
Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Сг, Ni, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Инструментальные стали
Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.

- Стали для режущих инструментов
Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.
- Углеродистые инструментальные стали
Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок У7, У7А, У13, У13А. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.
- Легированные инструментальные стали
В данную группу сталей входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость - до +300°С. Наиболее широко используют стали 9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС (фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).
- Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью - до +650вС. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5, Р10К5Ф5.

- Стали для измерительных инструментов
Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8...У12, X, 12X1, ХВГ, Х12Ф1. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Штамповые стали

Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.
- Стали для штампов холодного деформирования
Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими. Например Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5ВЗМФС, 7ХГ2ВМ. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.
- Стали для штампов горячего деформирования
Эти стали должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и высокой теплопроводностью. Примером таких сталей могут служить стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ.
- Валковые стали
Данные стали применяют для рабочих, опорных и прочих валков прокатных станов, бандажей составных опорных валков, ножей для холодной резки металла, обрезных матриц и пуансонов. К валковым сталям относят такие стали, как 9X1, 55Х, 60ХН, 7Х2СМФ.

Нелегированные конструкционные стали обыкновенного качества в соответствии с ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94) обозначают следующим образом: СтЗсп, Стбкп, СтО и др.
Здесь Ст - буквы, указывающие на принадлежность стали к группе сталей обыкновенного качества; следующая за ними цифра от 0 до 6 указывает на процент содержания углерода. В конце наименования стали приводятся буквы, определяющие степень ее раскисления (кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная).
В обозначение сталей с повышенным содержанием марганца после цифры добавляется также буква Г. Например, СтЗГсп, СтбГпс и др.

Нелегированные конструкционные
Качественные конструкционные стали в соответствии с ГОСТ 1050^88 обозначают двузначным числом, указывающим примерное содержание углерода в стали, умноженное на сто. Так, сталь с содержанием углерода 0,07-0,14% обозначается 10, сталь с содержанием углерода 0,42-0,50% -45, а сталь с углеродом 0,57-0,65% - 60. При этом для сталей с С < 0,2%,не подвергнутых полному раскислению, в обозначение добавляются буквы кп (для кипящей стали) и пс (для полуспокойной). Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются, например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т. д.
Качественные стали с повышенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, обозначают по ГОСТ 5520-79 добавлением буквы К в конце наименования стали: 15К, 18К, 22К и др.

Легированные конструкционные стали
В соответствии с ГОСТ 4543-71 наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь. Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа (при содержании легирующего элемента до 1,5% цифра за соответствующей буквой не указывается). Процентное содержание углерода, умноженное на 100, приводится в начале наименования стали.

В конце маркировки высококачественных углеродистых и легированных сталей ставят букву А, например, 12Х2Н4А, 15Х2МА. Особовысококачественные стали выплавляются только легированными. Эти стали подвергают электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от соединений серы и оксидов. Особовысококачественные стали обозначают добавлением через тире в конце наименования стали буквы Ш, например, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

Литейные конструкционные стали
Литейные стали в соответствии с ГОСТ 977-88 обозначают по тем же правилам, что и качественные и легированные стали. Отличие заключается лишь в том, что в конце наименований литейных сталей приводится буква Л, например, 15Л, 20Г1ФЛ, 35ХГЛ и др.

Автоматные стали
Наименования автоматных сталей по ГОСТ 1414-75 начинаются с буквы А (автоматная). Если сталь при этом легирована свинцом, то ее наименование начинается с букв АС. Для отражения содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей, например, А20, А40Г, АС14, АС38ХГМ.

Строительные стали
Строительные стали по ГОСТ 27772-88 обозначают 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, С255, С345Т, С390К, С440Д и т.д.
При изготовлении стали С590К методом электрошлакового переплава к обозначению стали добавляется буква Ш - С590КШ.

Судостроительные стали
Судостроительные стали по ГОСТ 5521-93 подразделяют на стали нормальной прочности марок А, В, D, Е и стали повышенной прочности марок A27S, D27S, E27S, А32, D32, Е32, А36, D36, Е36, А40, D40, Е40, A40S, D40S, E40S. Прокат, предназначенный для постройки судов и других плавучих средств, изготовляют под надзором Морского и Речного Регистров. В этом случае обозначение марок судостроительных сталей начинается с букв PC, например, РСА, РСВ, РСЕ.

Подшипниковые стали
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали по ГОСТ 801-78 обозначаются так же, как и легированные с буквой Ш в начале наименования. Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву, буква Ш добавляется также и в конце их наименований через тире, например, ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.

Нелегированные углеродистые инструментальные стали
Данные стали в соответствии с ГОСТ 1435-99 делятся на качественные и высококачественные. Качественные стали обозначают буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали, умноженное на 10. Так, сталь У7 содержит 0,65-0,74% углерода, сталь У10 - 0,95-1,04%, а сталь У12 - 1,10-1,39%. В обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А в т.д.). Кроме того, в обозначениях как качественных, так и высококачественных углеродистых инструментальных сталей может присутствовать буква Г, указывающая на повышенное содержание в стали марганца (например, У8Г, У8ГА).

Легированные инструментальные стали
Правила обозначения инструментальных легированных сталей по ГОСТ 5950-2000 в основном те же, что и для конструкционных легированных. Различие заключается лишь в цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали. Процентное содержание углерода также указывается в начале наименования стали, но при этом умножается на 10, а не на 100, как для конструкционных легированных сталей. Если же в инструментальной легированной стали содержание углерода составляет около 1,0%, то соответствующую цифру в начале ее наименования обычно не указывают, например, сталь 4Х2В5МФ содержит 0,3-0,4% С; 2,2-3,0% Сr; 4,5-5,5 % W; 0,6-0,9% Мо; 0,6-0,9% V, а сталь ХВГ -0,9-1,05% С; 0,9-1,2% Сг; 1,2-1,6% W; 0,8-1,1% Мп.

Быстрорежущие стали
Обозначения марок быстрорежущих сталей начинаются с буквы Р и цифры, указывающей среднее содержание вольфрама в стали. Далее следуют буквы и цифры, определяющие массовые доли других элементов. В отличие от легированных сталей в наименованиях быстрорежущих сталей не указывается процентное содержание хрома, т.к. оно составляет около 4% во всех сталях, и углерода (оно пропорционально содержанию ванадия). Буква Ф, показывающая наличие ванадия, указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2,5%. В соответствии с вышесказанным сталь Р6М5 имеет состав 0,82-0,9% С; 3,8-4,4% Сr; 4,8-5,3% Мо; 1,7-2,1% V; 5,5-6,5% W, а сталь Р6АМ5ФЗ содержит 0,95-1,05% С; 3,8-4,3% Сr; 4,8-5,3% Мо; 2,3-2,7% V; 0,05-0,1% N; 5,7-6,7% W.

Обозначения нержавеющих (коррозионно-стойких), жаростойких и жаропрочных сталей согласно ГОСТ 5632-72 состоят из цифр и строятся по тем же принципам, что и обозначения конструкционных легирован-ных сталей. В обозначения литейных коррозионно-стойких сталей такого вида добавляется буква Л. Приведем примеры: сталь состава С < 0,08%; 17,0-19,0 % Сг; 9,0-11,0% Ni; Ti в интервале от 5 до 7% обозначается 08Х18Н10Т, а литейная сталь 16Х18Н12С4ТЮЛ имеет состав 0,13-0,19% С; 17,0-19,0% Сг; 11,0-13,0% Ni; 3,8-4,5% Si; 0,4-0,7% Ti; 0,13-0,35% Al.

Помимо стандартных, коррозионно-стойкие стали могут иметь и другие наименования. Так, опытные марки, впервые выплавленные на заводе «Электросталь», обозначают буквами ЭИ, ЭП или ЭК и порядковым номером (например, ЭИ 135, ЭП 225, ЭК 156), марки завода «Днепроспецсталь» - буквами ДИ (ДИ 57, ДИ 94), марки Челябинского метал-лургического комбината буквами ЧС (ЧС 43, ЧС 87) и т.д. В том случае, если стали получены методом электрошлакового переплава, к их наиме-нованиям (так же как и для легированных сталей) добавляется через тире буква Ш (06Х16Н15МЗБ-Ш). Помимо этого, к наименованиям ука-занных сталей через тире могут добавляться буквы, обозначающие сле-дующее. ВД - вакуумно-дуговой переплав (09Х16Н4Б-ВД), ВИ - вакуум-но-индукционная выплавка (03Х18Н10-ВИ), ЭЛ - электронно-лучевой переплав (03Н18К9М5Т-ЭЛ). ГР - газокислородное рафинирование (04Х15СТ-ГР), ИД - вакуумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ЭП14-ИД), ПД - плазменная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ХН45МВТЮБР-ПД), ИЛ -вакуумно-индукционная выплавка с последующим электронно-лучевым переплавом (ЭП989-ИЛ) и т.д.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению сталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания и подвергающихся знакопеременным динамическим нагрузкам. Задача изобретения - создание дешевой стали для изготовления массивных деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа и знакопеременных (ударных) нагрузок. Износостойкая сталь содержит углерод, кремний, марганец, алюминий и хром в следующем составе, мас.%: углерод 0,6-0,7; кремний 1,0-1,8; марганец 2,0-3,6; алюминий 0,6-1,0; хром не более 0,5, при отношении содержания углерода к содержанию кремния 0,43-0,75, содержания марганца к содержанию кремния не выше 4,5 и содержания алюминия к суммарному содержанию углерода, кремния и марганца 0,13-0,2. Изобретение обеспечивает получение стали, обладающей оптимальным соотношением технологических (низкая склонность к трещинообразованию, как при термической обработке, так и при обработке давлением, хорошая прокаливаемость) и эксплуатационных свойств (высокая износостойкость в условиях интенсивного абразивного износа и ударных нагрузок крупногабаритных деталей). 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению сталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания и подвергающихся знакопеременным динамическим нагрузкам.

Известно использование для изготовления деталей, подвергающихся знакопеременным динамическим нагрузкам износостойких сталей с высоким содержанием марганца, например, сталь 110Г13Л, содержащая, мас.%:

Углерод 0,9-1,3

Кремний 0,4-1,0

Марганец 11,5-14,5

Никель До 0,5

Хром До 0,5

Железо Остальное

или сталь с улучшенными свойствами, содержащая, мас.%:

Углерод 0,9-1,5

Кремний 0,15-0,8

Марганец 12,0-15,0

Алюминий 2,5-3,2

Хром 2,1-2,3

Железо Остальное

(авт. свид. № 648647, МПК С 22 С 38/38, 1977).

Изготовление деталей из таких сталей возможно только литьем из-за склонности к наклепыванию даже при небольших деформациях. Недостатком рассматриваемых сталей является низкая технологичность - невозможно получение деталей обработкой давлением (ковкой, штамповкой) и затруднена механическая обработка. Кроме того, учитывая, что эти стали упрочняются за счет наклепа при ударных нагрузках, они недостаточно износоустойчивы без таких нагрузок.

Поэтому при использовании таких сталей для изготовления зубьев ковшей экскаваторов для повышения износоустойчивости приходится использовать наплавку твердым сплавом (Сормайтом).

Известны также износоустойчивые стали, подвергающиеся обработке давлением, например, сталь, содержащая, мас.%:

Углерод 0,52-0,75

Марганец 0,8-1,7

Кремний 0,85-1,2

Алюминий 0,06-0,5

Титан 0,01-0,06

Железо Остальное

(Авт. свид. №1497262, МПК С 22 С 38/14, 1988).

Наиболее близкая по составу к предлагаемой, выбранная в качестве ближайшего аналога, сталь, содержащая, мас.%:

Углерод 0,7-0,9

Кремний 0,5-0,8

Марганец 0,8-1,2

Алюминий 0,1-0,4

Хром 0,9-1,2

Сера Не более 0,03

Фосфор Не более 0,03

Железо Остальное

(Авт. свид. 199412, МПК С 22 С 38/18, 1965).

В данной стали износоустойчивость достигается благодаря соблюдению соотношений легирующих элементов С/Мn 0,8; С/Сr 0,68-0,70; Mn/Cr 0,8-0,58, концентрация хрома, наряду с концентрацией марганца, играет ведущую роль. После закалки в масле от 820 до 840С и отпуска при 200-240С сталь имеет твердость 58-60 HRC в сочетании с ударной вязкостью (а H =0,9-1,2 кгсм/см 2). Судя по этим данным, сталь имеет довольно низкую прокаливаемость и малопригодна для пассивных деталей.

При создании изобретения ставилась задача получения дешевой технологичной стали с высокими эксплуатационными характеристиками для изготовления массивных деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа и знакопеременных (ударных) нагрузок.

Поставленная задача решена при содержании компонентов в стали, мас.%:

Углерод 0,6-0,7

Кремний 1,0-1,8

Марганец 2,0-3,6

Алюминий 0,6-1,0

Хром Не более 0,5

Железо Остальное

при этом отношение содержания углерода к содержанию кремния 0,43-0,75, содержания марганца к содержанию кремния не выше 4,5 и содержания алюминия к суммарному содержанию углерода, кремния и марганца 0,13-0,20.

Путем предварительного расчета состава фаз и экспериментальных данных установлено, что сталь с содержанием компонентов, мас.%:

Углерод 0,6-0,7

Кремний 1,0-1,8

Марганец 2,0-3,6

Алюминий 0,6-1,0

Железо Остальное

при отношении содержания углерода к содержанию кремния 0,43-0,75, содержания марганца к содержанию кремния не выше 4,5 и содержания алюминия к суммарному содержанию углерода, кремния и марганца 0,13-0,20. Обладает оптимальным соотношением технологических (низкая склонность к трещинообразованию как при термической обработке, так и при обработке давлением, хорошая прокаливаемость) и эксплуатационных свойств (высокая износостойкость в условиях интенсивного абразивного износа и ударных нагрузок крупногабаритных деталей).

Cтраница 1

Износостойкие стали характеризуются высокой устойчивостью против истирания. В эту группу входят шарикоподшипниковые, высокомарганцовые и другие стали.  

Износостойкие стали способны сопротивляться процессу изнашивания.  

Износостойкие стали могут быть весьма различными по своим механическим свойствам и строению. Различают износ контактный и абразивный. Контактный износ имеет место при трении одной поверхности о другую, сопровождаемом давлением или ударами. Абразивным износом называют истирание металлической поверхности в результате трения о нее твердых частиц, движущихся в струе жидкости или газа вдоль этой поверхности.  

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легирования ее марганцем. Наиболее распространенной маркой стали является высокомарганцевая сталь Г13 содержащая 1 0 - 1 3 % углерода, 12 - 14 % марганца и другие элементы. Эта износостойкая и одновременно высокопластичная сталь применяется для изготовления звеньев гусениц (траки), козырьков ковшей экскаваторов и землечерпалок, стрелок и крестовин рельсов, а также других деталей, работающих на удар и подверженных интенсивному износу.  

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легирования ее марганцем.  

Большинство износостойких сталей имеет мартенситную основу с равномерно распределенными включениями карбидов. Для сталей, работающих в условиях высоких циклических контактных нагрузок (шарикоподшипниковая сталь), особую роль играет при этом тонкость строения мартенсита, дисперсность и равномерность распределения карбидной фазы.  

Применение износостойких сталей для деталей УСП и надлежащая термическая обработка гарантируют, длительный срок службы.  

Из группы износостойких сталей упомянем марганцовистую сталь (0 9 - 1 % Си около 12 - 14 % Мп), которая после закалки в воде при 1000 - 1050 С имеет чисто аустенитную структуру.  

Обработка резанием нержавеющих, жаропрочных, износостойких сталей и сплавов вызывает большие затруднения.  

Интенсификация режимов ленточного шлифования высокопрочных и износостойких сталей обычно не вызывает опасности появления шлифовочных дефектов (прижоги, трещины и др.), но ведет к увеличенному расходу инструмента. Анализ средней стоимости единицы продукции при ленточном шлифовании показал, что применение интенсивных режимов резания и, следовательно, укороченных сроков службы лент более экономично, чем получение максимального количества шлифованных деталей при работе ленты на слабых режимах. Ленты, затупившиеся на черновых операциях, могут быть дополнительно использованы на промежуточных или чистовых операциях.  

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление процессу изнашивания, под которым подразумевается постепенное разрушение поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др. Различают абразивный, окислительный, адгезионный, усталостный и другие виды изнашивания.

Высокая твердость поверхности – необходимое условие обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания. При абразивном, окислительном, усталостных видах изнашивания наиболее износостойкими являются стали с высокой исходной твердостью поверхности, структура которых состоит из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы.

Цементуемые низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, упрочненные азотированием или поверхностной закалкой, а также белые чугуны обеспечивают необходимую работоспособность узлов трения, в которых материал должен хорошо противостоять истиранию частицами, являющимися продуктами изнашивания или попадающими в смазочный материал извне.

В условиях ударного износа в абразивной струе (например, работа основных рабочих узлов мельниц для измельчения песка) наиболее износостойкими материалами являются твердые сплавы, структура которых состоит из карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных кобальтом, а также высокоуглеродистые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5 с мартенситной матрицей и карбидами.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4%) и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). Для наплавки используются прутки из этих сплавов, которые расплавляются кислородно-ацетиленовым пламенем или электрической дугой и в жидком состоянии наносят на поверхность детали. Широкое распространение получили сплавы «сормайт» (1,7…3% С, 15…30% Сr, 2…5% Ni, 2…3% Si) с твердостью до 50 НRС и «сталинит» (» 10% С, » 20% Сr, » 15% Мn, » 3% Si) с твердостью до 65 НRС.

Для работы в условиях износа, который сопровождается большими ударными нагрузками, широко используется высокомарганцевая сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда), содержащая 0,9…1,4% С, 11,5…15,0% Mn, 0,5…1,0% Si.

Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем или ковкой. После литья структура состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца в железе (FeMn) 3 C. При нагревании карбиды растворяются в аустените и после закалки в воде с 1100 о С сталь имеет аустенитную структуру и низкую твердость 200..250 НВ.

В условиях только абразивного износа такая сталь оказывается неизносостойкой, но при воздействии на деталь больших ударных нагрузок, которые вызывают в материале напряжения выше предела текучести, проходит интенсивный наклеп стали 110Г13Л и рост ее твердости и износостойкости. При этом сталь приобретает высокую твердость до 600 HВ. Сталь 110Г13Л широко используется для изготовления корпусов шаровых мельниц, железнодорожных крестовин, гусеничных траков, козырьков землечерпалок и др.

Износостойкие стали

Конструкционные стали специального назначения

Рессорно-пружинные стали

– высокоуглеродистые , содержат 0,5…0,8%С. Применяются для пружин, рессор и других упругих элементов.

Термообработка: закалка + средний отпуск. Структура - троостит отпуска. Свойства: высокие пределы упругости, текучести и выносливости. Рессорно-пружинные стали должны иметь высокую прокаливаемость, пластичность, вязкость, релаксационную стойкость.

Углеродистые стали : 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85. Применяются для пружин малого сечения (до 10 мм), эти стали имеют низкую релаксационную стойкость.

Легированные стали . Основными легирующими элементами в рессорно-пружинных сталях являются кремний (1…3% Si), марганец (~1% Мn), хром (~1%Cr), ванадий (~0,15%V), никель (до 1,7%Ni). Их вводят для повышения прокаливаемости, релаксационной стойкости и выносливости.

Кремнистые стали : 55С2, 60С2А, 70С3А применяют для автомобильных рессор, пружин вагонов. Кремний повышает прочность феррита͵ предел упругости, предел текучести, но способствует обезуглероживанию и графитизации. Эти недостатки устраняют добавками Cr, V, W, Ni: 60С2ХА, 65С2ВА, 60С2Н2А. Такие стали применяют для крупных тяжелонагруженных пружин и рессор.

Предел выносливости рессор должна быть повышен в 1,5…2 раза путем поверхностного пластического деформирования: гидроабразивной или дробеструйной обработкой.

Шарикоподшипниковые стали применяются для подшипников качения (шарики, ролики, кольца). Οʜᴎ содержат в среднем 1% углерода, стали должны иметь высокую твердость, износостойкость, контактную выносливость и сквозную прокаливаемость.

Сталь ШХ15 содержит ~1%С и 1,5%Cr. Термообработка: закалка в масле с температуры 820…850°С + низкий отпуск при 150…170°С. Структура – мартенсит и дисперсные карбиды. Сталь ШХ15СГ дополнительно содержит 0,8%Si и 1,2%Mn для повышения прокаливаемости, и применяется для крупногабаритных подшипников.

Износостойкая аустенитная сталь Гадфильда 110Г13Л содержит 1,1%С, 13%Mn, (Л–литейная). Структура после литья: аустенит легированный + карбиды (Fe,Mn)3С. Для растворения хрупких карбидов и получения однородной аустенитной структуры сталь подвергают закалке в воде от температуры 1100°С.

Сталь обладает высокой износостойкостью в условиях динамического износа, благодаря способности аустенита к деформационному упрочнению (наклепу). При ударных нагрузках в поверхностном слое по границам зерна аустенита выделяются карбиды марганца. Это приводит к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. В результате температуры МН и МК повышаются, аустенит частично превращается в мартенсит, что повышает твердость и износостойкость.

Применение: траки гусеничных машин, ковши экскаваторов, крестовины желœезнодорожных путей и т.п.

Износостойкие стали - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Износостойкие стали" 2014, 2015.