Металлы и сплавы, обрабатываемые в кузнечных цехах, подразделяются на черные и цветные. К черным металлам и сплавам относят железо, стали и чугуны, к цветным - алюминий, медь, магний, цинк, титан и сплавы перечисленных металлов.
Сталью называют железный сплав с содержанием углерода до 2%. Кроме углерода в сталь могут входить легирующие элементы (никель, хром, вольфрам и др.), а также в небольших количествах - примеси (марганец, кремний, сера, фосфор). Указанные элементы оказывают самое различное влияние на свойства сталей. Одни-из них улучшают, другие ухудшают качество стали.
Углерод (С) оказывает сильное влияние на свойства стали. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже, но менее пластична и выше ее закаливаемость. Стали с содержанием углерода свыше 0,6% имеют пониженную теплопроводность, нагревать и охлаждать их следует медленно, так как при быстром нагреве возможно образование трещин.
Кремний (Si) и марганец (Mn) попадают в сталь при его выплавке, их количество составляет 0,35 - 0,4 Si и 0,5 - 0,8 Mn. В таких количествах эти элементы не оказывают существенного влияния на свойства стали. Кремний и марганец добавляют в сталь специально и тогда они меняют ее свойства в широких пределах. Так, увеличение содержания кремния до 2,5% повышает упругость стали, при большем содержании этого элемента (3,1 - 3,5%) она становится жаростойкой. Марганец в стали увеличивает твердость, упругость и сопротивление истиранию. Стали с повышенным содержанием Si и Mn имеют пониженную пластичность, свариваемость и теплопроводность. Они, как и высокоуглеродистые стали, «боятся» быстрого нагрева.
Сера (S) и фосфор (Р) являются вредными, они придают стали хрупкость (синеломкость и красноломкость). Содержание серы и фосфора в сталях не должно превышать 0,05%, а в качественных и высококачественных сталях - до 0,025 - 0,005%.
Для получения сталей с желаемыми механическими и технологическими свойствами их легируют никелем, хромом и другими компонентами.
Никель (Ni) повышает прочность, пластичность и вязкость стали. Ковкость никелевых сталей хорошая.
Хром (Cr), увеличивая прочность и твердость стали, снижает ее вязкость и теплопроводность. Обрабатывают эти стали осторожно, в соответствии с установленными режимами.
Вольфрам (W) и молибден (Мо) повышают твердость, прочность и выносливость сталей при повышенных температурах. Пониженная теплопроводность этих сталей требует медленного нагрева и охлаждения, эти стали имеют высокое сопротивление деформированию.
Молибден (Мо) придает сталям мелкозернистое строение, повышает прочность, вязкость и пластичность, но снижает теплопроводность.
Титан (Ti) препятствует росту зерна; повышает прочность стали и увеличивает глубину закаленного слоя.
Бор (В) увеличивает твердость, прочность и упругость стали. Особенно этот элемент повышает износостойкость стали, для чего его добавляют в сталь всего 0,003%.
Стали широко применяют в промышленности, большое число марок их удовлетворяет различные требования по технологическим и эксплуатационным свойствам. Стали классифицируют по следующим главным признакам: по способу производства, по химическому составу, по качеству и назначению.
По способу производства стали подразделяют на мартеновскую, получаемую в мартеновских, печах, бессемеронскую и томасовскую, выплавляемую в конвертерах, электросталь, получаемую в электродуговых и высокочастотных индукционных печах. В последние годы особо высококачественные стали получают электрошлаковым переплавом стали, предварительно полученной в электродуговой печи.
По химическому составу классифицируют в основном конструкционные стали. Они делятся на углеродистые и легированные. В углеродистых сталях основным компонентом является углерод, определяющий свойства стали, а другие компоненты (кремний, марганец и др.) не играют существенной роли. Низкоуглеродистые стали содержат до 0,25% углерода, среднеуглеродистые - от 0,25 до 0,6% и высокоуглеродистые - от 0,6 до 2% углерода.
Легированными называют стали, в которых кроме углерода имеются легирующие. компоненты - хром, никель, молибден, вольфрам, кремний и др. В низколегированных сталях содержание легирующих компонентов не превышает 2,5%, в среднелегированных их содержится от 2,5 до 10%, в высоколегированных - свыше 10%.
По качеству стали делят на четыре группы: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Стали обыкновенного качества, в свою очередь, подразделяются на три подгруппы: А, Б и В.
Для сталей подгруппы А заводы гарантируют только определенные показатели механических свойств, но не гарантируют их химический состав. Стали подгруппы Б, наоборот, имеют гарантированный химический состав, а механические свойства не гарантируются. Для сталей подгруппы В, гарантируют механические свойства и в некоторой степени химический состав. Стали обыкновенного качества имеют повышенное содержание вредных примесей - серы и фосфора (0,055 - 0,07%) и неметаллических включений. Сталь обыкновенного качества выплавляется только углеродистая и предназначается для малоответственных деталей.
Стали подгруппы А маркируются буквами Ст и цифрами от 0 до 6, обозначающими определенные значения показателей механических свойств (табл. 1).
При маркировке сталей группы Б кроме букв Ст и цифры впереди ставят буквы М и Б, обозначающие способ получения (мартеновская, бессемеровская). Например, МСтЗ означает мартеновскую сталь обыкновенного качества группы 3 (табл. 2).
Как видно из таблицы, мартеновская сталь более очищена от примесей серы и фосфора. Качественные стали обозначают двумя цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 45 содержит 0,45% углерода. Если сталь дополнительно легирована, то после первых двух цифр записывают буквы, определяющие легирующий элемент. Количество легирующих элементов в процентах записывают после обозначения элемента; а если его содержание менее 1%, то цифры не записывают. Например, сталь 12ХН3 содержит 0,12% углерода, до 1% хрома и ~3% никеля. Для легирующих компонентов приняты следующие обозначения: марганец - Г, кремний - С, вольфрам - В, ванадий - Ф, алюминий - Ю, молибден - М, бор - Р.
Высококачественная сталь маркируется, как и качественная, но в конце марки ставится буква А. Например, сталь 12ХН3А. Эти стали имеют пониженное содержание серы и фосфора (до 0,030%).
Особовысококачественные стали получают электрошлаковым или вакуумно-дуговым переплавом, они содержат наименьшее количество серы и фосфора (до 0,015%), а также газов и неметаллических включений. Из этих сталей изготовляют наиболее ответственные детали, они более дорогие и обозначают их аналогично высококачественным сталям, но вместо буквы А в конце марки ставится буква Ш.
По назначению различают следующие классы сталей: машиностроительные или конструкционные, инструментальные, строительные, машиностроительные специализированного назначения, стали с особыми физическими и химическими свойствами. Классификация по назначению наиболее полно характеризует свойства применяемых сталей. В кузнечном производстве наибольший объем поковок изготовляют из сталей двух классов: машиностроительных (конструкционных) и инструментальных.
Машиностроительные (конструкционные) стали делятся на углеродистые и легированные. Легированные стали бывают однокомпонентные и многокомпонентные. Например, сталь хромистая - это сталь однокомпонентная; сталь хромоникелевая - двухкомпонентная; сталь хромоникелевольфрамованадиевая - сталь четырехкомпонентная.
В табл. 3 приведены данные по некоторым машиностроительным (конструкционным) сталям.
Инструментальные стали делятся на углеродистые и легированные. Стали инструментальные углеродистые содержат от 0,6 до 1,3% углерода, 0,15 - 0,60% марганца, 0,15 - 0,35% кремния, серы и фосфора 0,03 - 0,35%. Эти стали обозначаются 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.
Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления кузнечного и режущего инструмента, а также для измерительного инструмента, рабочие части которых должны иметь высокую твердость и износостойкость.
Инструментальные легированные стали (ГОСТ 5950 - 73) имеют высокую твердость, хорошо работают при ударных нагрузках, а также не теряют прочность и твердость при повышенных температурах. Из этих сталей изготовляют штампы, некоторые виды кузнечного инструмента, а также измерительный инструмент высокой точности. Так, стали У10, У11 применяют для напильников; сталь Х12М - для вырубных штампов; сталь 5ХНМ идет на крупные молотовые штампы; сталь Х18МФ - для инструмента, стойкого против коррозии.
Новые стали, не включенные в ГОСТ и поставляемые по ТУ (техническим условиям), обозначаются буквами ЭП или ЭИ (завод «Электросталь»), ДИ (завод «Днепроспецсталь») и ЗИ (Златоустовский завод). За указанными буквами следует заводской номер сплава. Например, сталь ЭП212 по ТУ соответствует стали Х14Г14Н и выплавляется заводом «Электросталь».
