Как определить инструментальная или конструкционная сталь

Обновлено: 19.05.2024

В предыдущей статье мы разобрали виды стали по химическому составу: легированные и углеродистые сплавы. Сегодня речь пойдет про применение или назначение металлических материалов из стали. Литейные железоуглеродистые стали различаются не только по составу, но и по эксплуатационным характеристикам. Так, в зависимости от области применения, стальные сплавы разделяют на три назначения:

конструкционные: строительные и машиностроительные;
инструментальные;
специального назначения.

Конструкционные стали дополнительно делятся на строительные и машиностроительные.

Классификация по области применения неразрывно связана с распределением углеродистых и легированных сталей по качеству сплава. В чем отличие и как разобраться в видах?

Конструкционные стали

Конструкционная легированная и углеродистая сталь применяется в отраслях машиностроения, при изготовлении конструкций для строительных и крепежных работ, в профильном и листовом прокате, при изготовлении трубопроводной арматуры и деталей трубопровода и т.д.

В конструкционных углеродистых сталях общее содержание углерода до 0,6% (но в некоторых случаях до 0,85%). Углеродистые стали делят на сталь обыкновенного качества по ГОСТ 380-05 и сталь качественную по ГОСТ 1050-88. Качественную сталь применяют при изготовлении изделий, требующих от материала большей пластичности, работы в условиях повышенного давления, в условиях ударопрочности и др. Отличаются между собой в большей прочности, пластичности и сопротивляемости ударным нагрузкам.

Сталь обыкновенного качества. Можно встретить обозначения по степени раскисленности, сталь может быть кипящей «кп», полуспокойной «пс» и спокойной «сп». Буквенно-цифровое обозначение в маркировке варьируется от ст Ст0 до Ст6. Цифры - порядковый номер, указывают содержание углерода.
Например: Ст4, Ст2.
Качественная сталь. Цифры в обозначении стали выражают содержание углерода в сотых долях процента.
Например: Сталь 20, Сталь 45

Конструкционные легированные стали относятся к ГОСТ 4543-16. Свойства таких сталей указываются в маркировке. На первом месте стоит численное содержание углерода в сплаве. Буквы отвечают за обозначения легирующих элементов, а последующие числа - процентное содержание этих легирующих элементов. Числа могут совсем отсутствовать в маркировке и пишут только буквы, тогда эту информацию можно расшифровать, как процент легирующих элементов содержится в количестве 1,0 – 1,5%. Буква «А» в конце маркировки указывает, что данная сталь является высококачественной. Например: 13ХФА, 30ХМА, 40Х.

Конструкционные стали делятся на строительные (низкоуглеродистые, низколегированные) и машиностроительные (средне- и высокоуглеродистые). Малоуглеродистые стали отличаются хорошей свариваемостью и чаще всего их применяют для сварки строительных конструкций. В машиностроительных сталях хорошо сочетается прочность, ударная вязкость, пластичность, износостойкость. Из самого названия можно легко догадаться - такие стали применяют для различных деталей машин.

Инструментальные стали

Дополнительным разделением сталей является инструментальные свойства. Такие стали разделяют на две группы по предназначению: изготовление режущего (отрасль металлорезки, измерительные конструкции, хирургические инструменты и т.д.) и штампового инструмента (горячая и холодная штамповка, прессы, прокатные валы и т.д). После термической обработки (закалка и отпуск), такие стали обладают высокой твердостью и прочностью. Готовые инструменты: штангенциркули, зубилы, сверла, нутромеры и т.д.

Инструментальная углеродистая сталь по ГОСТ 1435, на первом месте маркировки в численном выражении указывает содержание углерода от 0,7 до 1,4%. Встречается качественные (от У7 до У13) и высококачественные сплавы (от У7А до У13А). Содержание углерода в десятых долях процента указывается в цифрах. По аналогии с конструкционными легированными сталями, индекс «А» в конце обозначения информирует, что перед вами высококачественная инструментальная углеродистая сталь.

Легирующие добавки в инструментальных легированных сталях всегда высокого качества, зачастую это дефицитные элементы, например кобальт, вольфрам, титан. В маркировке подобного вида стали нет необходимости указывать индекс «А» - сплав по умолчанию высококачественный. На первом месте в маркировке может отсутствовать численное обозначение, в таком случае расшифровывается так: содержание углерода в стали примерно входит в 1%. Следом буквы и цифры указывают содержание легирующих элементов в целых процентах.

Углеродистые и легированные стали специального назначения

Особое назначение в сталях обусловлено наличием как специальных элементов в сплавах, так и прочими химическими свойствами, такими как: нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаропрочные и жаростойкие (окалиностойкие), кислотостойкие и др. Например, такие сплавы используют в средах с повышенными агрессивными свойствами, стойкостью к радиации или с электротехническими качествами.

— Осколкова Анастасия, контент-менеджер «ОНИКС»
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Чем отличается конструкционная сталь от инструментальной

Сталь – востребованный материал для производства множества изделий. Она представляет собой сплав углерода либо железа и других видов сырья. Ее классифицируют по нескольким характеристикам. Сталь бывает углеродистой, предназначенной для инструментов со статической нагрузкой, и легированной, с добавками фосфора, азота, кремния, магния, других элементов. Рассмотрим, чем отличается конструкционная сталь от инструментальной.

Первая разновидность выпускается согласно ГОСТу 1050. Это тип углеродистого сплава, предназначенный для болтовых, сварных конструкций, производства рельс, колес поездов, шестеренок, валов. Из конструкционной легированной стали изготавливают тракторные гусеницы, детали машин, турбин.

Инструментальная разновидность востребована для режущих, измерительных инструментов. Из нее делают молотки, стамески, сверла, резцы. Она бывает высококачественной и качественной.

Характеристики конструкционной

Этот материал классифицируют по содержанию дополнительных примесей – фосфора и серы. Последний ингредиент считается вредным, он повышает хрупкость стали. Фосфор дает трещины при горячей обработке. Чем меньше в составе этих вредных примесей, тем лучше.

Есть такие разновидности конструкционной стали:

улучшаемые. Это значит, что свойства – прочность, вязкость – меняются с помощью термической обработки. Она предполагает закалку и отпуск, средний или высокий. Со снижением температуры ударная вязкость и пластичность уменьшаются;
цементуемые малоуглеродистые. Их используют для шлицевых передач, шестерней, валов. При их применении изделие становится износостойким, прочным, пластичным;
пружинно-рессорные. Бывают универсальные и специализированные. Последние характеризируются особой устойчивостью к коррозии, тепловым воздействиям, немагнитностью;
для подшипников качения, с повышенным содержанием углерода;
автоматные. Предназначены для массового производства, например, осей, гаек автоматических линий.

Выделяют также строительные разновидности. В большинстве делаются путем применения сварки. Бывают углеродистыми и низколегированными.

Главные особенности инструментальной

Этот материал востребован при производстве высокотвердого и износостойкого инструмента. В его составе обязательно содержится минимум 0,7% углерода. Структура – в большинстве случаев ледебуритная, доэвтектоидная или заэвтектоидная. Все три вида сплава отличаются один от другого, в первую очередь, содержанием вторичного карбида. В доэвтектоидном типе он отсутствует. Карбид же есть во всех структурах.

Инструментальная сталь предназначена для изготовления режущих, высокоточных, измерительных изделий из металла. Ее также применяют для демпфирования (как горячего, так и холодного) – изготовления литейных прессформ, используемых под давлением.

Инструментальная сталь – обязательно вязкий материал, независимо от марки. Она также отличается высокой твердостью, прочностью, устойчивостью к износам. Сплавы, используемые для конкретного инструмента, имеют также ряд отличительных характеристик. При выборе материала обращают внимание на оптимальную прокаливаемость, невосприимчивость к перегревам, обезуглероживаниям, привариваниям, прилипаниям, появлению трещин.

По свойствам инструментальная сталь делится на несколько видов:

теплостойкая, вязкая. Это сплавы, содержащие вольфрам, хром или молибден. Показатели углерода в них средние или минимально допустимые;
высокотвердая, вязкая, нетеплостойкая. Это низколегированный среднеуглеродистый материал;
тепло-, износостойкая, высокотвердая. К этой категории относятся ледебуритные, режущие типы;
твердая, износо-, среднетеплостойкая. Содержит 2-3% углерода, 3-15% хрома.

Существует также нетеплостойкая твердая инструментальная сталь – она относится к высокоуглеродистой.

Что изготавливают из инструментальной стали

Углеродистые марки инструментальной стали входят в перечень наиболее востребованных типов продукции металлургических комбинатов. Их основное целевое назначение состоит в изготовлении различных деталей, к которым имеются специфические требования относительно ударной прочности, твердости и износостойкости. В целом из углеродистой инструментальной стали изготавливают:

элементы высокоточного измерительного оборудования;
штампы для оснащения мощных прессов;
широкий ассортимент режущих приспособлений;
литейные пресс-формы и прочую продукцию.

Такие изделия нашли широчайший спрос на промышленных предприятиях, активно используются в области обработки не только металлов, но и других прочных материалов.

Особенности продукции

Инструментальная сталь по своей сути является черным металлическим сплавом с включением углерода (более 0,7%). В зависимости от технологических особенностей производства структура материала может иметь заэвтектоидный, ледебуритной либо доэвтектоидный тип. Это также зависит от наличия и количества побочных карбидов, сформировавшихся, в свою очередь, в процессе распада мартенсита.

Точный перечень предъявляемых к данной продукции требований зависит от ее целевого назначения (области применения). Но имеется и список общих критериев, которым должна соответствовать углеродистая сталь. К ним относятся:

значительный уровень вязкости, что имеет особое значение для приспособлений, подвергающихся критическим ударным нагрузкам во время всего эксплуатационного цикла;
механическая прочность, то есть устойчивость к разрушению структуры под влиянием внешних факторов (например, агрессивных химических сред);
износостойкость, то есть способность сохранять заложенные во время производства характеристики как в процессе изготовления инструментов, так и в ходе их применения;
твердость – сопротивляемость внедрению более плотных тел.

Среди прочих общих свойств данных сталей стоит отметить стойкость к растрескиванию, способность удерживать углерод в атомарной структуре, незначительный уровень чувствительности к перегреву.

Кроме прочего, марки продукции, предназначенные для изготовления промышленных штампов, работающих на принципе холодного деформирования, должны иметь гладкую поверхность, а также строго определенную упругость и текучесть.

Что касается инструментальных разновидностей стали, пригодных для применения в условиях горячей штамповки, то к ним предъявляются строгие требования относительно теплопроводности, стойкости к отпуску и влиянию повышенных температур. Это же касается и материалов, используемых при изготовлении быстрорежущих инструментов.

Сегодня они представлены огромным разнообразием продукции, включающей резцы и цековки, фрезы и плашки, метчики и пилы, развертки и долбяки. Без их использования невозможно производство широкого перечня изделий как промышленного, так и бытового назначения.

Основные разновидности

Существующие сегодня марки инструментальных сталей разделяются на пять основных групп:

Вязкие и теплостойкие. Чаще всего это доэвтектоидные и заэвтектоидные составы, в структуре которых из вспомогательных компонентов используют хром, молибден и вольфрам. Отличаются незначительным или средним содержанием углерода. Инструменты, изготавливаемые из инструментальных сталей данной категории, – это изделия, предназначенные для эксплуатации в условиях постоянных повышенных температур.
Вязкие и высокотвердые. Характеризуются минимальным уровнем легирующих элементов и средним значением углерода. Также отличаются незначительным уровнем прокаливаемости.
Тепло- и износостойкие. Это основной материал для серийного изготовления режущего инструмента. Доля элемента в данных сплавах может достигать 3% (стали с ледебуритной структурой).
Износостойкие и с умеренным значением теплостойкости. Содержат от 5 до 11% хрома, а также 1,5–3% углерода.
Нетеплостойкие и высокотвердые. В структуре таких материалов могут вовсе отсутствовать легирующие компоненты. Необходимый уровень твердости достигается за счет высокого содержания углерода в их составе.

При этом важно отметить, что каждая из этих групп материалов включает в себя несколько марок сталей. Например, только теплостойкие составы содержат 8 наименований продукции. И каждая из них имеет несколько подтипов.

Штамповая инструментальная сталь

Отвечая на вопрос о том, что изготавливают из инструментальной стали, невозможно обойти вниманием такую продукцию, как штампы для горячей и холодной деформации заготовок. Их производят из углеродистого материала различных марок:

Рабочие элементы для холодных штампов, как правило, делают на основе сталей У10, У11 и У12. Уровень их твердости находится в пределах 57–59 единиц по шкале Роквелла (HRC), что обеспечивает отличную сопротивляемость деформациям, точечным и поперечным нагрузкам. При этом штампы больших габаритов могут изготавливаться из хромированных марок стали (например, Х9 или Х6ВФ).
Функциональные элементы промышленного оборудования для горячей деформации заготовок подвержены не только механическим факторам, но и термическим перегрузкам. Поэтому к материалам для их производства предъявляется ряд особых требований, в том числе способность к теплопроводности, устойчивость к растрескиванию (в условиях резких перепадов температурного режима) и окалинам. Наиболее востребованными являются материалы марок 4ХСМФ и 5ХНМ.

Кроме того, независимо от целевого назначения, любые изделия, подвергающиеся в процессе своей эксплуатации критическим ударным нагрузкам, должны иметь оптимальный уровень вязкости. Именно в силу этой причины для изготовления штампов и прессов широко используются материалы, в составе которых присутствует большое количество легирующих элементов, а процент углерода сведен к минимуму. В ходе производства ударного инструмента они подвергаются дополнительной термической обработке, позволяющей достигнуть равномерности их структуры на уровне кристаллической решетки.

Конструкционная сталь,её классификация и особые свойства

Конструкционные стали используются для производства различных деталей, конструкций и механизмов в строительстве и машиностроении, они обладают особыми физико-механическими и эксплуатационными качествами. По сути, это один из типов металлического сплава, состав и метод производства которого подобран согласно необходимым техническим параметрам.

Конструкционная сталь бывает двух видов: машиностроительная и арматурная (строительная), они отличаются хорошей свариваемостью. Качество сплава определяется содержанием в материале серы и фосфора, которые влияют на хрупкость.

В зависимости от количества вредных элементов в сплаве (обозначается буквой «Ш») сталь бывает следующего качества:

обычная (не более 0,05%);
качественная (0,035%);
высококачественная (0,025%);
особо высокого качества (0,015%).

Каждый из видов находит широкое применение в различных сферах деятельности.

Машиностроительная конструкционная сталь общего назначения

Эти разновидности сплавов могут быть средне- и малоуглеродными, низко- и среднелегированными, их главные свойства – вязкость, надежность и эластичность.

В большинстве конфигураций конструкционные стали, назначение которых отвечать потребностям машиностроения в качественном металле, относятся к перлитным сплавам (доэвтектоидным). В их составе никель и молибден, улучшающие вязкость. Реализуются в виде необработанных листов или с закалкой, благодаря чему укрепляется верхний слой.

Марки и особенности машиностроительных сталей спецназначения

Химические и технологические свойства конструкционных сталей определяют сферу их использования. Сплавы бывают:

Жаростойкие. Выдерживают высокие температуры, не окисляются и не поддаются коррозии. Предназначены для изготовления деталей труб, емкостей для цементации, поршневых двигателей.
Криогенные. Сплавы с малым количеством углерода, отличающиеся улучшенными параметрами за счет дополнительной обработки.
Антикоррозионные. Отличаются высоким содержанием хрома, который защищает металл от коррозии. Применяются для производства труб, деталей гидравлического оборудования, турбин, карбюраторных валов.
Износоустойчивые. Высокоуглеродистые, высоколегированные сплавы, отличающиеся повышенной стойкостью к механическому износу и коррозии. Используются для производства наносного и измельчающего оборудования, траков.
Автоматные. Отличаются легкой обрабатываемостью и средней прочностью, из них изготавливают автомобильные детали высокой нагрузки, например, болты, гайки и шпильки.
Пружинные. Высокопрочные стали, они используются в производстве рессор и пружинных механизмов.

Классификация конструкционных сталей по назначению позволяет определить разновидность металла для конкретного производства.

Конструкционные стали широко применяются в производстве:

гвоздей и проволоки;
фасонного проката;
элементов креплений;
слабо нагруженных осей и валов;
важных деталей конструкций и машин;
труб цельнотянутых;
сварных узлов;
запчастей для машин и станков, подвергающихся интенсивным нагрузкам и др.

Хорошие технические параметры определяют надежность и долговечность службы металлов.

Сталь строительная – особенности и характеристики

Технологические свойства конструкционных сталей для производства арматуры такие:

малое количество углерода (0,1–0,3%);
ковкость;
отличная свариваемость;
высокая текучесть;
ударная вязкость;
твердость.

Для применения в строительстве используются малолегированные и углеродистые стали хорошей свариваемости. Легирование улучшает закалку металла и повышает предел его текучести.

Конструкционная сталь для строительства производится в виде проката, широких полос, прутков, поковок, листов. Нередко металл используется в качестве армирующего материала при обустройстве кровли, перекрытий, для сооружения различных инженерных конструкций.

Выбор марки стали, высокий класс точности изготовления и чистота обработки поверхностей, а также повышение их твердости (термическая обработка) – это важнейшие факторы, которые способствуют надежности и долговечности работы деталей.

Тема 6. Конструкционные и инструментальные стали.

Классификация и назначение конструкционных сталей. Углеродистые качественные и обыкновенного качества стали. Легированные конструкционные стали. Цементуемые и улучшаемые стали, их свойства и применение. Рессорно-пружинные и шарико - подшипниковые стали. Стали повышенной обрабатываемости резанием. Стали для зубчатых колес, валов, деталей ходовой части и тормозной системы. Высоколегированные коррозионностойкие, жаропрочные и окалиностойкие стали.

Классификация и маркировка инструментальных сталей. Стали для режущего, штампового, медицинского и измерительного инструмента. Твердые сплавы, их свойства и назначение. Термическая обработка инструмента. Выбор марок сталей для инструмента с учетом условий эксплуатации.

Методические указания.

Конструкционные стали – это сплавы предназначенные для изготовления деталей машин и изделий строительной индустрии. Кроме того, к этой группе относятся и стали со специальными свойствами – износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные, пружинные и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества изготавливают марок Ст.0, Ст.1,¸ Ст.6. в соответствии с ГОСТ 380-71. Такие стали, в основном, применяют в строительстве, так как они обладают хорошей свариваемостью и достаточной прочностью.

Качественные углеродистые (ГОСТ 1050-74) и легированные (ГОСТ 4543-71) стали, применяют в машиностроении и других видах промышленности. Стали этого класса подвергают термической и химико-термической обработке для придания изделиям требуемых физико-механических свойств. Наличие легирующих элементов (до10%) в стали, обеспечивает высокие показатели прочности и пластичности и дает возможность их применения для высоконагруженных деталей машин. Высоколегированные стали (содержание легирующих элементов более 10%) имеют специальное назначение – коррозионно-стойкие, окалиностойкие, немагнитные и т.д.

Для улучшения обрабатываемости резанием в сталь дополнительно вводят серу, селен, свинец и кальций. Содержание серы и свинца до 0,3%, селена и кальция до 0,05% позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 раза, но их наличие снижают свойства стали. Поэтому применение таких сталей не рекомендуется для деталей работающих в сложно - напряженном состоянии.

Повышение устойчивости стали против коррозии, достигается за счет введения в нее хрома, который образует плотную окисную пленку на поверхности типа Cr₂O₃. К этой группе относятся стали с содержанием хрома более 12%.

Инструментальные стали имеют высокую твердость, износостойкость и прочность. Они используются для режущего инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, измерительных инструментов различных размеров и форм. Стали для режущего и штампового инструмента должны обладать теплостойкостью, то есть сохранять высокую твердость и прочность при нагреве до высоких температур. В связи с этим различают нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие стали. Для инструмента подвергаемого нагреву до 200 о С в эксплуатации применяют углеродистые, и низколегированные марки стали – У8, У10, У13, 9ХС, 11Х и т.д.

Полутеплостойкие стали, преимущественно используют для штампов горячего деформирования, рабочая кромка которого нагревается до 400-500 О С. Это стали легированные хромом, молибденом, вольфрамом и ванадием типа 4Х5МФС, 3Х3ВМФ, 5ХНМ, 5ХНВ и т.д.

При нагреве инструмента в процессе работы до 600-800 о С для его изготовления рекомендуются быстрорежущие стали типа Р9, Р18, Р6М5К5 и др. Главный легирующий элемент таких сталей – вольфрам, который образует стойкий карбид.

Свойства инструментальных сталей достигаются за счет термической обработки закалки и отпуска.

Литература: [1, 252-313; 3, 364-508; 6, 73-135; 6, 143-174].

Вопросы для самопроверки.

1. Можно ли кипящую сталь применять для изделий работающих при температурах ниже –40 о С?

2. Чем объяснить хорошую обрабатываемость резанием стали легированной S, Pb,Ca?

3. Каким требованиям должна обладать сталь для холодной штамповки?

4. Какую термическую обработку проходят стали 40ХН, 40Х, 38ХМЮА, 42ХМФА?

5. Какие стали, применяют для работы в окислительных и других агрессивных средах?

6. Назовите марки сталей для пружин, рессор и подшипников? Каким видам термической обработки они подвергаются?

7. Какие достоинства и недостатки имеют углеродистые стали для режущего инструмента?

8. Укажите, стали для штампов холодного и горячего деформирования. Рассмотрите термическую обработку и получаемые свойства этими сталями.

9. Какие требования предъявляются к сталям для измерительного инструмента и укажите пути достижения стабильности структуры и свойств при эксплуатации?

Читайте также: