6. Стали.

6.1. Углеродистые стали. Классификация и маркировка

Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02…2,14 %) с постоянными примесями марганца (до 0,8 %), кремния (до 0,5 %), фосфора (до 0,05 %) и серы (до 0,05 %). Такую сталь называют углеродистой.

Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов. Стали классифицируют по следующим признакам: по содержанию в них углерода, назначению, качеству и степени раскисления.

По содержанию углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25…0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С).

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами  специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними  в количестве вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качественные  до 0,035 % S и 0,035 % Р; высококачественные  не более 0,025 % S и 0,025 % Р, а особо высококачественные  не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами и цифрами, например Ст0, …, Ст6. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6  условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность.

Степень раскисления обозначается индексами, стоящими справа от номера марки: кп  кипящая, пс  полуспокойная, сп  спокойная. Например, сталь Ст1кп  сталь кипящая; Ст3сп  спокойная; Ст5пс  полуспокойная и т.д.

К углеродистым качественным конструкционным сталям предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. В зависимости от степени раскисления качественные стали могут быть спокойными (сп) или кипящими (кп). Цифры в марке стали указывают на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента (например. Сталь 45 содержит 0,45 % С).

Все углеродистые качественные конструкционные стали можно условно разделить на несколько групп.

Углеродистые качественные стали 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп (без термической обработки) хорошо штампуются вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин (крепежные изделия и др.) и сварных конструкций.

Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Они используются для изготовления неответственных деталей машин (без термической обработки или в нормализованном состоянии), а также деталей с повышенной износостойкостью (после цементации и соответствующей термической обработки), но не подвергающихся высоким нагрузкам. Примерами цементированных деталей машин являются кулачковые валики, кронштейны, пальцы рессор и др.

Группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергается термической обработке, хорошо обрабатывается на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Благоприятные сочетания прочностных и пластических свойств позволяют применять эти стали при изготовлении ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 после термической обработки имеют высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Из них делают детали типа пружин, рессор, прокатных валков, замковых шайб и др.

К инструментальным относятся стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного, штампового и других инструментов. Основными свойствами этих сталей являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость), прокаливаемость. Для некоторых инструментальных сталей большое значение имеет теплопроводность, устойчивость против налипания обрабатываемого металла на металл инструмента и др.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: ставят букву У, затем цифру, указывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента, например сталь марки У12 содержит в среднем 1,2 % С. Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием  буква Ш.

Для улучшения обработки резанием применяют углеродистые, так называемые автоматные стали с повышенным содержанием серы (0,08…0,3 %) и фосфора (0,06 %). Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, указывающими на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Наибольшее применение получили стали А12, А20, А30. Так, из стали А12 изготавливают винты, болты, гайки и различные мелкие детали сложной конфигурации, а стали А20, А30 используют для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях повышенных напряжений.

К качественным углеродистым инструментальным сталям относят стали У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; из них изготовляют несложные по конфигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инструменты изготовляют из высококачественных инструментальных сталей: У7А, У8А, У9А, У11А, У12А, У13А. Это обычно заэвтектоидные стали. Для получения высокой твердости (НRС 60…62) стальные инструменты закаливают в воде с 770…810 С. Отпуск в зависимости от назначения инструмента и требуемой твердости производится при 150…220 С. Углеродистые стали являются дешевыми.

Литейные стали. Для изготовления стальных фасонных отливок применяются литейные стали, отличительными чертами которых являются удовлетворительные литейные свойства  жидкотекучесть, заполняемость, трещиноустойчивость (стойкость против образования горячих трещин), склонность к образованию усадочных пороков. Удовлетворительные литейные свойства стали позволяют получать сложные фасонные, часто тонкостенные отливки без дефектов  недоливов, горячих трещин, усадочных пороков.

Литейные стали (ГОСТ 97788) маркируют так же, как и качественные деформируемые стали, но с добавлением буквы «Л» в конце марки: 15Л, 20Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л. Они содержат до 0,9 % Mn и до 0,52 % Si и не более 0,06 % S и 0,08 % Р.

С увеличением содержания углерода в литейных сталях их прочность растет, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Например, две крайние по содержанию углерода стали имеют следующие свойства:

Марка стали	В, МПа	0,2, МПа	, %	KCU, Дж/см2
15Л	400	200	24	50
50Л	580	340	11	24