>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Профессиональное обучение

Ручная ковка

Основные марки сталей и сплавов. обрабатываемых в кузнечных цехах

Углеродистые и легированные стали. 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 электродуговых 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 низкоугаеродистые ( менее 0,3 % С), средне углеродистые (0,3 . . . 0,7 % С) и высокоуглеродистые ( более 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 и 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 %Sh 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.

Механические свойства стали обыкновенного качества группы А (ГОСТ 380 - 71)

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 полу спокойными производят стали Ст1 . . . Стб, 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 полуспокой-ные — соответственно с индексами ”кп” (05кп, 08кп, 15кп, 20кп) и ”пс” (0,8пс, 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. Для 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 (ШX15 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 30ХГС-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.

Механические свойства некоторых конструкционных сталей

Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и различных конструкций. Различают углеродистые и легированные конструкционные стали.

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.

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность (2,7 ... 2,8 г/см³) при сравнительно высоких механических свойствах. Алюминиевые деформируемые сплавы в соответствии с их свойствами делят на две группы.

К первой группе относят: технический алюминий марок АД1, АД; сплав системы алюминий — марганец AM г (1,3 % Мn); сплав системы алюминий — магний AMrl (1 % Mg); сплавы системы алюминий — магний — марганец АМг2, АМгЗ, АМг4 и АМг5 и АМг6 (2,2 ... 6,3 % Mg, 0,4 .. . 0,65 % Мn) . Сплавы этой группы обладают высокими технологическими свойствами, пластичны (относительное удлинение 5 — до 23 %), хорошо обрабатываются давлением, легко свариваются, устойчивы против коррозии.

Для повышения прочностных характеристик их дополнительно упрочняют холодной деформацией.

Ко второй группе относят сплавы систем: алюминий — медь — магний (Д1,Д16); алюминий — магний — кремний (АВ); алюминий — медь — магний (ВД17, Д19, В65) ; алюминий — медь—магний —железо — никель — кремний (АК4, АК4-1); алюминий — медь — магний — марганец — кремний (АК6, АК8); алюминий — цинк — магний — медь (В93, В95, В96); алюминий — медь — марганец (Д20, Д21). Сплавы этой группы отличаются повышенной прочностью (ств — до 650 МПа), имеют удовлетворительные технологические свойства и применяются для изготовления штамповок и поковок деталей, воспринимающих повышенные нагрузки.

Магниевые сплавы, обладая достаточной прочностью, имеют малую плотность (1,78 . . . 1,80 г/см³), отличаются высокой химической стойкостью к щелочам, бензину и хорошо обрабатываются режущим инструментом. В состав магниевых сплавов входят марганец, алюминий, цинк, церий и др. Деформируемые магниевые сплавы делят на четыре группы. Сплавы первых трех групп различаются по прочности.

К первой группе относят сплав МА1 невысокой прочности (σ_в — до 230 МПа). При горячей обработке давлением он имеет высокую пластичность и применяется для получения штампованных заготовок деталей, не несущих больших нагрузок и работающих при температурах до 150 °С.

Ко второй группе относят сплавы МА2 и МА8 средней прочности (σ_в — до 260 МПа). Они имеют хорошую пластичность и применяются для получения штампованных заготовок деталей средней прочности и сложной формы, работающих при температурах до 250 °С.

К третьей группе относят сплавы МА2-1 и МА5 высокой прочности (ав — до 340 МПа), обладающие удовлетворительной пластичностью. Ковкой эти сплавы не обрабатывают. Их применяют для изготовления штампованных заготовок тяжелонагруженных деталей, работающих при температурах до 200 °С.

К четвертой группе относят жаропрочный сплав МА11 (σ_в — до 250 МПа) с удовлетворительной пластичностью. Рабочая температура изготовляемых из него деталей составляет 200 ... 400 °С.

Титановые сплавы называют металлом будущего. Имея плотность, почти в 2 раза меньшую, чем у стали (4,5 г/см³), титановые сплавы по прочности не уступают многим легированным сталям. Кроме того, они не боятся низких и высоких температур, имеют высокую стойкость против коррозии, а также агрессивных сред, таких, как горячая азотная кислота и др. Высокие прочностные свойства титановых сплавов при температурах 550 . . . 600 °С делают их незаменимыми в самолете-и ракетостроении. Большинство титановых сплавов подвергают прокатке, ковке, штамповке. Однако их обработка требует особых приемов, точной температуры нагрева и др. Титановые сплавы, как и магниевые, подразделяют на четыре группы.

К первой группе относят сплавы малой прочности (ав 600 МПа): технический титан ВТ1-0 и ВТ1-00, а также низколегированный сплав ОТ4-1. Из них изготовляют детали сложной конфигурации, не испытывающие при работе больших нагрузок.

Ко второй группе относят сплавы средней прочности (σ_в = 600 . . .1000 МПа) ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и ОТ4 с удовлетворительной технологичностью.

К третьей группе относят высокопрочные сплавы (σ_в более 1000 МПа) ВТ14, ВТ16 и ВТ20. Их повышенная прочность достигается в результате соответствующей термической обработки.

Четвертую группу составляют жаропрочные сплавы ВТЗ-1, ВТ9 и ВТ18.

Медные сплавы отличаются низким коэффициентом трения, высокой стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред, хорошими тепло- и электропроводностью. Указанные свойства являются достоинствами этих сплавов. В зависимости от компонентов, входящих в их состав, медные сплавы делят на две группы — латуни и бронзы.

Латуни по составу бывают простыми и сложными. Простые деформируемые латуни представляют собой сплавы меди с цинком (Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63, Л60) . Буква Л означает латунь, цифра — содержание меди (остальное — цинк). Так, Л90 — латунь с содержанием 90 % меди и 10 % цинка. Цинк является легирующей добавкой, повышающей прочность, твердость и пластичность латуни. Вследствие этого латуни отличаются технологичностью, хорошо деформируются при обработке давлением как в холодном, так и в горячем состоянии, легко обрабатываются резанием. В кузнечном производстве обрабатывают также сложные латуни со специальными свойствами, содержащие кроме меди и цинка добавки свинца, марганца, никеля, алюминия и др.

Деформируемые бронзы делят на оловянистые, которые содержат некоторое количество олова и других элементов, и безоловянистые. Примером деформируемой оловянистой бронзы является бронза марки БрОЦ4-3: Бр — бронза; О — олово; Ц — цинк; 4 — содержание олова, %\ 3 — содержание цинка, %; остальное — медь. Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4 и БрАЖН10-4-4 широко используют в кузнечных цехах — они хорошо куются и штампуются. Бронза БрАЖ9-4 имеет следующий состав: алюминий — 9 %; железо — 4 %; медь — 87 %. Бронза БрАЖШ 0-4-4 кроме 10 % алюминия и 4 % железа содержит 4 % никеля (остальное — медь).