7. Классификация и маркировка черных металлов и сплавов

7.1. Классификация конструкционных сталей

Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (<0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистые (>0,6% С). При увеличении содержания углерода в стали твердость ее увеличивается, а пластичность уменьшается. Стали, содержащие менее 0,25% углерода, могут быть подвержены цементации. Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, марганцевые.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом их производства. Однородность химического состава, строения и свойств, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей – серы и фосфора.

Стали обыкновенного качества содержат от 0,005% S и 0,040% Р, качественные – не более 0,04% S и 0,035 Р, высококачественные – не более 0,025% S и 0,025% Р, особо высококачественные – не более 0,015% S и 0,025% Р.

Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное место между спокойными и кипящими.

При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.

Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные – всех классов.

По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали с некоторой условностью можно разделить на стали нормальной прочности (σ <1000 МПа), повышенной прочности (σ <1500 МПа) и высокопрочные (σ >1000 МПа).

7.2. Классификация чугунов

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные чугуны, чугуны с вермикулярным графитом и ковкие чугуны.

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe C.).

Белые чугуны по содержанию углерода разделяются на доэвтектические (до 4,3%), эвтектические (4,3%) и заэвтектические (более 4,3%).

Белые чугуны отличаются от серых наличием в структуре химически связанного углерода в виде цементита. Из-за большого количества цементита они твердые, хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Из белого чугуна изготовляют прокатные валки, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.

В промышленности широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в форме графита. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием. Вместе с тем включения графита (особенно пластинчатой формы) снижают прочность и пластичность. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах.

Серыми называются чугуны с пластинчатой формой графита. Серые чугуны используются в конструкциях, работающих на статическую сжимающую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, опорные плиты под фермы, канализационные трубы, люки, задвижки).

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, ферросилицием совместно с вторичным алюминием, которые вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. Модификация проводится с целью измельчения зерна графитных включений. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Высокопрочные чугуны используют в конструкциях, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промышленных зданий, фундаменты тяжелого кузнечно-прессового оборудования, подферменные опоры железнодорожных и автодорожных мостов, тюбинги для крепления транспортных тоннелей).

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. В отличие от пластинчатого, такой графит меньше снижает механические свойства, вследствие чего ковкие чугуны по сравнению с серыми обладают более высокой прочностью, вязкостью и пластичностью. Из них изготовляют детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок позволяет делать из ковкого чугуна детали водо- и газопроводных установок.

В чугунах с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до 40%) и вермикулярную форму в виде мелких тонких прожилок. По механическим свойствам эти чугуны занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Применяют в отливках, подвергаемых циклическим нагрузкам и частым теплосменам. Из них отливают блоки цилиндров, поршни, гильзы и т.д.