Сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали практически может составлять от 0,05 до 2 %. Кроме того, в стали обычно содержится небольшое количество примесей: полезных — марганца, кремния и др., вредных — серы, фосфора, кислорода, азота, водорода и др. Для придания стали требуемых свойств (повышенных прочности, твердости, сопротивления истиранию и коррозии, жаропрочности и т.п.) в нее специально вводят элементы, называемые легирующими — никель, хром, вольфрам, молибден, титан и др. Такую сталь называют легированной. Разные элементы оказывают различное влияние на свойства стали.
Углерод (С) в значительной степени влияет на свойства стали. Чем больше содержание углерода в стали, тем она прочнее и тверже, но менее пластична и обладает более высокой закаливаемостью. Стали с содержанием углерода свыше 0,6 % имеют пониженную теплопроводность, поэтому нагревать и охлаждать их следует медленно, так как при быстром нагреве возможно образование трещин.
Кремний (Si) и марганец (Мn) попадают в сталь при ее выплавке. Обычно их содержание составляет: Si — 0,35 ... 0,4 %;
Мn — 0,5 . . . 0,8 %. В таких количествах эти элементы не оказывают существенного влияния на свойства стали. Кремний и марганец добавляют также в сталь специально, и тогда они меняют ее свойства в широких пределах. Так, увеличение содержания кремния до 2,5 % повышает упругость стали, при большем его количестве (3,1 . . . 3,5 %) она становится жаростойкой. Марганец увеличивает твердость, упругость и сопротивление истиранию. Стали с повышенным содержанием кремния и марганца имеют пониженные пластичность, свариваемость и теплопроводность. Как и высокоуглеродистые стали, их следует нагревать перед ковкой медленно во избежание возникновения трещин.
Серa (S) и Фосфор (Р) , являющиеся примесями, придают стали хрупкость, красноломкость и хладноломкость. Содержание серы и фосфора в сталях не должно превышать 0,05 %.
Стали классифицируют по следующим основным признакам: способу производства; химическому составу; степени раскисления; качеству; назначению.
По способу производства стали подразделяют на конвертерные, выплавляемые в конвертерах, мартеновские, получаемые в мартеновских печах, и электростали, получаемые в электро дуговых и высокочастотных индукционных печах.
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. В углеродистых сталях основным элементом, определяющим их свойства, является углерод. В зависимости от его содержания стали подразделяют на низкоуглеродистые ( < 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3 . . . 0,7 % С) и высокоуглеродистые ( > 0,7 % С). На долю углеродистых сталей приходится ~ 80 % от общего объема, так как они относительно дешевы, обладают удовлетворительными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием и давлением.
Легированные стали подразделяют в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов.
В низколегированных сталях их содержится до 5 %, в среднелегированных — 5 ... 10 %, в высоколегированных — свыше 10 %.
По степени раскисления стали классифицируют на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Раскисление заключается в удалении из жидкого металла кислорода на заключительной стадии плавки, что необходимо для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
По качеству стали делят в зависимости от содержания вредных примесей на стали обыкновенного качества (до 0,055 % S;
0,045 % Р), качественные (не более 0,04 % S и 0,035 % Р), высококачественные (не более 0,025 % S и 0,025 % Р) и
особовысококачественные (не более 0,015 % S; 0,025 % Р).
Стали обыкновенного качества выплавляют только углеродистыми; они являются наиболее дешевыми и предназначаются для изготовления малоответственных деталей. Их, в свою очередь, подразделяют в зависимости от гарантируемых свойств на три группы — А, Б и В. Для сталей группы А заводы гарантируют только определенные показатели механических свойств, но не гарантируют химический состав. Стали группы Б, наоборот, имеют гарантированный химический состав, а механические свойства не гарантируются. Для сталей группы В гарантируются и механические свойства,и химический состав.
Стали группы А маркируют буквами Ст и цифрами от 0 до 6, обозначающими номер марки, которому соответствуют определенные значения показателей механических свойств (табл. 3.1).
Из таблицы видно, что с увеличением номера марки повышается прочность и снижается пластичность стали. При маркировке сталей групп Б и В перед буквами Ст соответственно ставят буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам, например ВСт5.
Степень раскисления обозначают добавлением индексов: в спокойных сталях — ”сп”; полуспокойных — ”пс”; кипящих — ”кп”, например СтЗсп, БСтЗпс, ВСтЗкп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 . . . Ст6, кипящими — Ст1 . . . Ст4 всех трех групп — А, Б и В.
Сталь СтО по степени раскисления не разделяют.
Качественные стали поставляют с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Углеродистые качественные стали маркируют двузначными числами (05, 08, 10, 15, 20, . . 85), обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20 содержит в среднем 0,20 % С, сталь 45 — 0,45 % С и т.п. Спокойные стали маркируют без индекса, кипящие и полуспокойные — соответственно с индексами ”кп” (05кп, 08кп, 15кп, 20кп)и ”пс” (08пс, 10пс, 15пс, 20пс). В марках сталей с увеличенным содержанием марганца после двузначного числа ставится буква Г (60Г, 65Г,70Г).
Легированные стали маркируют цифрами и буквами, обозначающими химический состав. Дня легирующих элементов приняты следующие обозначения: хром — X, никель — Н, марганец — Г, кремний - С, молибден — М, вольфрам — В, титан — Т, ванадий — Ф, алюминий — Ю, медь — Д, бор — Р и др. В марке стали цифра, стоящая после буквы, указывает примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента содержится меньше или около 1 %. Две цифры в начале марки показывают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 12ХНЗ содержит в среднем около 0,12 % углерода, до 1 % хрома и около 3 % никеля.
Некоторые группы сталей имеют дополнительные обозначения, например марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш (ШХ15 и др.) .
Высококачественные стали маркируют так же, как и качественные, но в конце марки ставят букву А, например сталь 12ХНЗА. Эти стали имеют пониженное содержание серы и фосфора.
Особовысококачественные стали, получаемые электрошлаковым или вакуумно-дуговым переплавом, содержат наименьшее количество серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Эти стали являются дорогими и предназначены для изготовления наиболее ответственных деталей. Обозначают их аналогично высококачественным сталям, но вместо буквы А в конце марки ставят букву Ш, например ЗОХГС-Ш.
По назначению стали разделяют на конструкционные, инструментальные и специальные (нержавеющие, жаропрочные, электротехнические, подшипниковые, пружинные и др.). В кузнечном производстве большинство поковок изготовляют из конструкционных и инструментальных сталей.
Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и различных конструкций, Различают углеродистые и легированные конструкционные стали (табл. 3.2).
Инструментальные стали также делятся на углеродистые и легированные. Инструментальные углеродистые стали (ГОСТ 1435—74) обозначают буквой У, за которой следует цифра, обозначающая процентное содержание углерода. Например, сталь У9 — сталь инструментальная с содержанием углерода 0,9 %. В маркировку высококачественной инструментальной стали в конце добавляют букву А, например У10А. Инструментальные углеродистые стали применяют для изготовления кузнечного, режущего, а также измерительного инструмента, рабочие части которого должны иметь высокие твердость и износостойкость.
Инструментальные легированные стали (ГОСТ 5950—73) имеют высокую твердость, хорошо работают при ударных нагрузках, а также не теряют прочности и твердости при повышенных температурах. Из этих сталей изготовляют штампы, некоторые виды кузнечного инструмента, а также измерительный инструмент высокой точности.
Новые стали, не включенные в ГОСТ и поставляемые по ТУ, обозначают буквами ЭП или ЭИ (завод ’’Электросталь”), ДИ (завод ’’Днепроспецсталь”) и ЗИ (Златоустовский завод). За указанными буквами следует заводской номер сплава, например сталь ЭП212.
Основные цветные металлы и сплавы. Цветные металлы в чистом виде применяют редко, лишь в отдельных специальных случаях. Это объясняется тем, что чистые металлы по своим механическим свойствам обычно не отвечают требованиям современной техники и не могут использоваться для изготовления деталей машин. Наибольшее распространение в промышленности получили четыре группы сплавов цветных металлов — алюминиевые, магниевые, титановые и медные. Сплавы цветных металлов широко применяют во всех областях машиностроения и приборостроения. Из них изготовляют детали различных летательных аппаратов, морских судов, приборов, радиоэлектронных устройств, реакторов и т.д. Сплавы цветных металлов подразделяют на литейные, предназначенные для изготовления отливок, и деформируемые, предназначенные для изготовления изделий обработкой давлением. Деформируемые сплавы поставляют в виде катаных, кованых и прессованных прутков, а также полос и листов.
