Сталь - это сплав железа и углерода с другими элементами, содержание углерода в нём не более 2,14%.
Наиболее общая характеристика - по химическому составу сталь различают: углеродистую и легированную.
По качеству все стали подразделяют по содержанию серы и фосфора на обыкновенные (до 0,05 % S и 0,04 % 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 и 0,025 % Р). Сера вызывает красноломкость сталей при обработке давлением, а марганец устраняет красноломкость. Фосфор упрочняет сталь, растворяясь в феррите, но снижает пластичность и вязкость особенно при низких температурах, вызывая хладноломкость.
Легированная конструкционная сталь обозначается буквенно-цифровым индексом, например, сталь марки 45ХН2А, где цифра 45- сотые доли процента углерода (для инструментальных сталей в десятых долях), буквы - обозначение легирующих элементов Х - хром, Н - никель, цифра 2-процентное содержание элемента в легированной стали, никеля 2%, отсутствие цифры после буквы указывает, что количество легирующего элемента (хрома) ~1%. Цифра, стоящая за буквой, означает среднее содержание (массовую долю) данного компонента в процентах.
Обозначение других легирующих элементов Г - марганец, С - кремний, В - вольфрам, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, М - молибден, Ф - ванадий, Б - ниобий, Р - бор, К – кобальт, Ц -цирконий. Значение буквы А в маркировке стали зависит от места ее написания. В начале шифра она обозначает автоматную сталь, в середине шифра – количество азота в сплаве, в конце шифра - высококачественную сталь.
Конструкционная сталь обыкновенного качества выпускается трех групп А, Б, В и обозначается от ст.0 до ст.6. Качественная углеродистая конструкционная сталь обозначается сотыми долями процента углерода, например, сталь 35.
По способу производства и содержанию примесей сталь различается:
-сталь обыкновенного качества (углерода менее 0,6%) - соответствует ГОСТ 14637, ГОСТ 380-94. Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6. Буквы «Ст» обозначают сталь обыкновенного качества, цифры указывают на номер маркировки в зависимости от механических свойств. Является наиболее дешёвой сталью, но уступает по другим качествам.
-качественная сталь (углеродистая или легированная ) - ГОСТ 1577, содержание углерода обозначается в сотых долях % - 08, 10, 25, 40, дополнительно может указываться степень раскисления и характер затвердевания. Качественная углеродистая сталь обладает высокой пластичностью и повышенной свариваемостью.
Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали характеризуются невысокой прочностью и высокой пластичностью. Из листового проката стали 08, 10, 08кп изготавливают детали для холодной штамповки. Из сталей 15, 20 делают болты, винты, гайки, оси, крюки, шпильки и другие детали неответственного назначения.
Среднеуглеродистые качественные стали (ст 30, 35, 40, 45, 50, 55) используют после нормализации и поверхностной закалки для изготовления таких деталей, которые обладают высокой прочностью и вязкостью сердцевины (оси, винты, втулки и т. д.)
Стали 60 — стали 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругими свойствами. Из них изготавливают крановые колёса, прокатные валки, клапаны компрессоров, пружины, рессоры и т.д.
-высококачественная — сложный химический состав с пониженным содержанием фосфора и серы — по ГОСТу 19281.
Также сталь делится по применению:
а) строительная сталь — углеродистая обыкновенного качества. Обладает отличной свариваемостью. Цифра обозначает условный номер состава стали по ГОСТу. Чем больше условный номер, тем больше содержание углерода, тем выше прочность стали и ниже пластичность.
Ст0-3 — для вторичных элементов конструкций и неответственных деталей (настилы, перила, подкладка,шайбы)
Ст3 используют для несущих и ненесущих элементов сварных и несварных конструкций и деталей, которые работают при положительных температурах. ГОСТ 380-88.
Стандартом качества предусмотрена сталь с повышенным количеством марганца (Ст3Гсп/пс, ст5Гсп/пс).
б) конструкционная сталь — ГОСТ 1050 содержание углерода 0.5-0.65%
-цементируемые стали- углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0.2-.03.% , основным способом их упрочнения является цементация с последующей закалкой и низким отпуском.
- улучшаемые стали- углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0.3-.05.%, основным способом их упрочнения является улучшение, включающее закалку на мартенсит и отпуск на сорбит.
Углеродистые качественные конструкционные стали используются в машиностроении, для сварных, болтовых конструкций, для кровельных работ, для изготовления рельсов, железнодорожных колёс, валов, шестерен и других деталей грузоподъёмников. Цифры в маркировке означают содержание углерода в десятых долях процента.
Ст20 — малонагруженные детали, такие как валики, копиры, упоры,
Ст35 — испытывающие небольшие напряжения (оси, тяги, рычаги, диски, траверсы, валы),
Ст45 (ст40Х) — требующие повышенной прочности (валы, муфты, оси, зубчатые рейки)
в) инструментальная сталь — углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0.65-1.45%, применяется для режущего инструмента, быстрорежущая сталь для холодного и горячего деформирования материла, для измерительных инструментов, на производство молотков, долот, стамесок, резцов, свёрел, напильников, бритв, рашпилей. Стали этой группы упрочняются только мартенситным превращением при закалке после которой низкий отпуск для снятия напряжений.
Инструментальные стали бывают углеродистые, обозначают от У 7 до У 13 (цифры означают десятые доли процента углерода в сплаве), и легированные, в том числе и быстрорежущие, например Р 18 (цифра – процентное содержание вольфрама).
Углеродистые стали выпускают качественными и высококачественными. Буква «А» означает высококачественную углеродистую инструментальную сталь.
-штамповые стали
При изготовлении деталей холодноштамповочной оснастки применяют разные марки стали в соответствии с назначением, условиями эксплуатации и технологией изготовления деталей штампа.
Углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9 и У10 пониженной прокаливаемости используют для изготовления матриц и пуансонов штампов для холодной штамповки, имеющих простую форму их рабочего контура (в таких штампах нет резких переходов между элементами; отсутствуют узкие прорези, тонкие перемычки металла между отверстиями и т. п.). Это связано с тем, что стали пониженной прокаливаемости деформируются при закалке, в результате чего образуются трещины.
Пуансоны и матрицы штампов для холодной штамповки более сложной формы делают из сталей марок X, 9ХС, ХВГ, ХГС и других повышенной прокаливаемости.
Пуансоны и матрицы штампов для холодной штамповки весьма сложной формы изготовляют из сталей марок Х12Ф, Х12Т, Х12М высокой прокаливаемости. Эти стали, близкие по своим свойствам к быстрорежущим сталям, содержат около 1% углерода, 12% хрома и около 1% ванадия (титана или молибдена), характеризуются высокими прочностью, износостойкостью, теплостойкостью (около 500°С). Важным достоинством сталей высокой прокаливаемости являются малая деформация и, следовательно, сохранение размеров их рабочего контура при закалке. К недостаткам относятся склонность к карбидной неоднородности и плохая обрабатываемость резанием. Сталь марки Х12Ф почти в 2,5 раза дороже, чем углеродистая сталь марки У10.
Тонкие и длинные пуансоны дыропробивных штампов для холодной штамповки и другие нежесткие детали изготовляют из сталей марок 4ХС, 5ХС, 4ХВ2С, 5ХВ2С и т. п. повышенной вязкости. Снижение хрупкости у этих сталей достигается уменьшением содержания углерода (не более 0,5%), а высокая износостойкость определяется наличием хрома и вольфрама. Теплостойкость сталей этой группы около 300 °С; закаливают их в масле, сквозную закалку получают у образцов диаметром до 50 мм.
Штампы и вставки для горячей штамповки (молотовые штампы) изготовляют из сталей марок 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХНС, 5ХНСВ, 5ХНМ и других повышенной вязкости при нагреве. Молотовые штампы обычно имеют большую массу, работают в условиях ударной нагрузки и деформируют металл, нагретый до температуры 900—1200 °С. Поэтому главными требованиями к сталям этой группы являются высокие вязкость, теплостойкость и сопротивление образованию окалины. Рабочий контур этих штампов обычно имеет сложную форму и значительные размеры, что требует возможно большей прокаливаемости и минимальной деформации при закалке. Эти требования обеспечиваются химическим составом сталей, в котором содержится 0,5% углерода, хром, никель и другие легирующиие элементы. Теплостойкость сталей этой группы достигает 500 °С. Наиболее высокие свойства имеет сталь марки 5ХНМ, из которой изготовляют крупные штампы (наименьшая сторона куба более 400 мм), имеющие сложную форму рабочего контура; твердость таких штампов 36—39 HRC.
Штампы средних размеров изготовляют из сталей марок 5ХНВ, 5ХНС и 5ХНСВ. Эти стали, легированные вольфрамом или кремнием, по свойствам близким к стали 5ХНМ, но уступают ей по прокаливаемости. Твердость таких штампов 37—42 HRC.
Несколько ниже теплостойкость и прокаливаемость у стали марки 5ХНТ, которую применяют для изготовления молотовых штампов малых размеров (наименьшая сторона куба до 300 мм). Твердость таких штампов 41—45 HRС.
Рабочие детали штампов для горячей штамповки, обладающие малой массой и подвергающиеся при работе нагреву до высоких температур (матрицы для обрезки облоя, тонкие прошивные пуансоны, ножи для горячей резки т. п.), изготовляют из сталей марок ЗХ2В8, 4Х2В8, 4Х8В8 и других повышенной прочности при нагреве. Эти стали имеют высокие прочность, износостойкость, теплостойкость (до 650 °С).
Все более широкое применение для изготовления формообразующих деталей штампов получают твердые сплавы ВК15, ВК20, ВК25 и ВКЗО. Эти сплавы, отличающиеся от сплавов той же группы, применяемых для режущих инструментов, большим содержанием кобальта (10—30%), характеризуются повышенной прочностью и вязкостью, но пониженной твердостью и износостойкостью.
Твердый сплав применяют для оснащения пуансонов и матриц дыропробивных и вырубных штампов. В электротехнической промышленности такие штампы применяют для листовой штамповки пластин, из которых собирают трансформаторные сердечники, статоры и роторы электродвигателей и другие подобные детали. Выбор марки твердого сплава зависит от прочности листа и его толщины. Чем прочнее материал и толщина листа, тем больше кобальта должен содержать твердый сплав.
Термическая обработка заготовок обеспечивает лучшую обрабатываемость их на последующих операциях, уменьшает деформации при закалке и повышает стойкость рабочих частей штампов. Изотермическому отжигу подвергают все заготовки (как из проката, так и из поковок), изготовленные из инструментальных легированных и инструментальных углеродистых сталей. Чтобы устранить поверхностные напряжения, возникающие в результате грубой механической обработки, заготовки из легированных инструментальных сталей подвергают высокому отпуску, а заготовки из инструментальных углеродистых сталей – нормализации.
Для матриц и пуансонов, изготовленных из легированных инструментальных сталей, применяется полная (сквозная) закалка с непрерывным охлаждением в масле.
Углеродистые стали не обладают полной прокаливаемостью (они прокаливаются на глубину лишь 10–12 мм), и это обстоятельство используют в тех случаях, когда нужно получить твердую поверхность детали с мягкой, удароустойчивой сердцевиной
г) легированная сталь — универсальная сталь, содержащая специальную примесь. Содержание кремния более 0,5%, марганца более 1%. ГОСТ 19281-89. Если содержание легирующего элемента превышает 1 - 1,5%, то оно указывается цифрой после соответствующей буквы.
· низколегированная сталь — где легирующих элементов до 2,5% (09Г2С, 10ХСНД, 18ХГТ). Низколегированную сталь можно использовать в условиях крайнего севера, от -70 град С. Низколегированную сталь отличает большая прочность за счёт более высокого предела текучести,что важно для ответственных конструкций.
· среднелегированная (2,5 -10%),
· высоколегированная (от 10 до 50%)
д) специальные стали— сталь с особыми физическими свойствами. Корозионостойкие (нержавеющие); жаростойкие, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре 500С; жаропрочные, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течении длительного времени и обладающие при этом жаростойкостью.
На свариваемость стали влияет степень её раскисления. По степени раскисления сталь классифицируется:
1. спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,
2. полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,
3. кипящая сталь (08кп) — неокисленная сталь с высоким содержанием неметаллических примесей. ГОСТ 1577.
В зависимости от нормируемых характеристик, сталь подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, Категории обозначают химический состав, механические свойства при растяжении, ударную вязкость)
категория 1 — химический состав не нормируемый, категория 3 — нормируется ударная вязкость при температуре +20. Для марки ст0 не нормируется ни химический состав, ни предел текучести.
Для листовой штамповки также используют сталь специального назначения (электротехническую, коррозионно-стойкую, оцинкованную и т.д.).
Листы из стали подразделяют на две основные группы. К первой относятся толстые листы, толщина которых превышает 4 мм, ко второй — тонкие листы с толщиной меньше 4 мм, при ширине от 600 мм и выше .
Толстолистовая сталь подразделяется на резервуарную, мостовую, котельную, судостроительную, броневую и др. К группе толстых листов относится также универсальная или широкополосная сталь, прокатываемая на станах, имеющих вертикальные валки. В данном случае боковые кромки листа получаются прямыми в процессе прокатки. Толстые листы могут быть рифлеными, двух- и трехслойными и др.
В зависимости от марки стали тонкий лист можно подразделить на следующие категории: декапированная (отожженная и протравленная), кровельная сталь — черная или покрытая цинком, жесть для консервной промышленности, электротехническая и пр.
По способу изготовления тонколистовая сталь подразделяется на горяче- и холоднокатаную.