Черные металлы и сплавы

К черным металлам и сплавам относятся железо и сплавы на его основе — сталь и чугун. Вследствие низких эксплуатационных свойств техническое железо в машиностроении не применяется. Сталь — многокомпонентный сплав с содержанием углерода до 2,14%. Чугун — сплав с содержанием углерода более 2,14%.

Сталь

Классификация сталей. Стали классифицируют, но химическому составу, качеству, степени раскисления, прочности и назначению.

Химический состав сталей. По химическому составу стали делят па углеродистые и легированные.

Углеродистые стали. В зависимости от содержания углерода различают:

• • низкоуглеродистые (до 0,3% С);
• • среднеуглеродистые (0,3—0,7% С);
• • высокоуглеродистые (свыше 0,7% С).

Легированные стали в зависимости от введенных основных легирующих элементов могут быть хромистыми, кобальтовыми, марганцовистыми, хромоникелевыми и др. В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов различают стали:

• • малолегироваииые (менее 5%);
• • средиелегированные (5—10%);
• • высоколегированные (более 10%).

Качество сталей оценивается суммарным содержанием примесей — серы и фосфора. По данному критерию стали подразделяют на стали:

• • обычного качества (до 0,05% S и 0,04% Р);
• • качественные (менее 0,04% S и 0,035% Р);
• • высококачественные (менее 0,025% S и 0,025% Р);
• • особовысококачественные (менее 0,015% S и 0,025% Р).

Степень раскисления сталей. По степени раскисления различают стали:

• • спокойные, которые подвергались раскислению марганцем, к р е м н и е м, а л ю м и н и с м;
• • кипящие, которые раскислялись только марганцем;
• • полуспокойные (занимают промежуточное положение между двумя первыми).

Прочность сталей (а_1}) как критерий классификации позволяет условно выделить стали:

• • нормальной прочности (а_в < 1000 МПа);
• • повышенной прочности (а_в < 1500 МПа);
• • высокопрочные (а_в < 1500 МПа).

Назначение сталей. По назначению стали подразделяют на конструкционные (менее 0,7% С) и инструментальные (> 0,7% С). В свою очередь, в зависимости от конкретного применения различают конструкционные стали:

• • общего и специального назначения;
• • стали с особыми физическими или химическими свойствами;
• • инструментальные стали для режущих и измерительных инструментов;
• • жаростойкие и жаропрочные стали и многие другие.

В России принята буквенно-числовая система маркировки сталей.

Углеродистые качественные конструкционные стали обозначают двузначными числами, указывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например: углеродистая сталь У10 содержит 0,1% С.

Углеродистые качественные инструментальные стали маркируются буквой У и цифрой, указывающей содержание углерода в десятых долях процента. Например: сталь У8 содержит 0,8% С; сталь У12 — 1,2% С.

Конструкционные легированные стали имеют следующую маркировку:

где а_с — содержание углерода, сотые доли процента; JI_S — обозначение легирующего компонента (азот — А; алюминий — Ю; бор — Р; вольфрам — В; ванадий — Ф; кобальт — К; кремний — С; молибден — М; марганец — Г; медь — Д; никель — Н; редкоземельные металлы — Ч; селен — Е; титан — Т; фосфор — П; хром — X; цирконий — Ц); а, — содержание легирующего компонента, % (если после обозначения легирующего компонента число не стоит, то его содержание примерно 1%). Например: сталь ЗОХЗМФ — качественная сталь, 0,3% С, 3% Сг, 0,2—0,3% Мо, 0,06—0,12% V.

В конце маркировки может находиться буквенное обозначение качества стали и обозначение метода повышения качества: А — высококачественная сталь; Ш — электрошлаковый переплав; ВД — вакуумно-дуговой переплав; ВИ — вакуумно-индукционная выплавка.

Некоторые маркировки стали содержат дополнительную букву после слова «сталь», обозначающую ее группу или тип. Например: Ш — подшипниковая сталь (в этих сталях указываются десятые доли процента содержания легирующего компонента); А — автоматная сталь; св — сварочная сталь (уменьшенное содержание серы и фосфора).

Качественные углеродистые стали по содержанию углерода подразделяют на низкоуглеродистые (менее 0,25% С), среднеуглеродистые (0,3 0,55% С), высокоуглеродистые (0,6—0,85% С).

Низкоуглеродистые стали обладают невысокой прочностью, высокой пластичностью. Сталь 05 — сталь 10 применяются для изготовления малопагружеппых деталей. Сталь 15 — сталь 25 применяются для ответственных сварных конструкций и для деталей, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали, по сравнению с низкоуглеродистыми, имеют более высокую прочность, но более низкую пластичность; лучше обрабатываются резанием. Сталь 30 — сталь 55 применяют для изготовления небольших деталей или для деталей, не требующих сквозной прокаливаемости.

Высокоуглеродистые стали (сталь 60 — сталь 65) обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругостью. Из них изготавливают детали, работающие при высоких статических и динамических нагрузках.

Низколегированные конструкционные стали широко применяются в автои тракторостроении.

Стали, легированные Cr, Cr—Mn, Cr— Si—Mn, С г—Ni, Сг—Мо, Cr—V—W, применяют для изготовления коленчатых валов, зубчатых колес, шатунов, гильз цилиндров.

Стали, легированные Cr, Cr—V, Cr—Ni, Сг—Mg, Cr—Mg—Ni, обладают высокой твердостью и износоустойчивостью поверхностного слоя, высокой прочностью и вязкостью. Из этих сталей изготавливают кулачковые муфты, кулачки, зубчатые колеса, поршневые пальцы, втулки, коленчатые и распределительные валы.

Автоматные стали (сталь А12 — сталь АС14ХГН) применяются при обработке заготовок на металлорежущих станках с автоматическим циклом. Обычно при точении сталей получается сливная стружка в виде непрерывной ленты, которую трудно убирать при автоматическом цикле станка. В автоматных сталях присутствуют хрупкие включения MnS, вызывающие дробление стружки. Эти стали используют для изготовления метизов (болтов, гаек, шпилек, винтов), втулок.

Подшипниковые стали (сталь ШХ6 — сталь ШХ15СГ) используются для изготовления подшипников качения, храповых механизмов, роликов, пальцев машин.

Рессорно-пружинные стали (легирование: Si, Si—Mn, Cr—Si, Cr—Mn, Cr—V, Cr—Mn—V, W—Si, Ni—Si) имеют высокие предел упругости и предел выносливости. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры.