Стали

Сплавы, содержащие до 2% углерода, называют сталями. В стали углерод растворен без остатка, но и здесь его влияние на свойства металла сказывается очень сильно. Он в первую очередь влияет на твердость стали: чем больше в стали углерода, тем она по сравнению с железом тверже (крепче). Но, кроме углерода, в сталь в момент плавки может попасть еще и фосфор, сера, кремний, марганец, хром или какой-либо другой химический элемент, а то и несколько элементов сразу. Все эти примеси, даже в самых малых количествах, серьезно влияют на свойства металла.

Сера и фосфор настолько ухудшают сталь, что прямо-таки выводят ее из строя. Поэтому металлурги стремятся свести содержание серы и фосфора в стали до самых малых величин. Все другие примеси — и особенно примеси металлов,— соединяясь со сталью, благотворно влияют на ее свойства. Поэтому металлурги нередко специально «засоряют» сталь добавками небольших доз хрома, никеля, молибдена, вольфрама, титана и других металлов. Такие облагораживающие сталь добавки на техническом языке именуются легирующими (от латинского слова «лигаре», что означает «связывать, соединять»).

В зависимости от химического состава стали, то есть от того, имеется ли в ней легирующая добавка или нет, всякую сталь относят либо к семейству углеродистых, либо к семейству легированных сталей. Углеродистым сталям все почти их свойства «диктует» углерод; в легированных, наряду с углеродом, большое значение имеет присутствие добавок (легирующих присадок).

По содержанию углерода сталь относят:

к низкоуглеродистой (до 0,25% углерода),
среднеуглеродистой (от 0,25 до 0,60% углерода),
к высокоуглеродистой (от 0,60 до 2% углерода).

Точно так же обстоит дело с легированной сталью: она бывает низколегированная (не более 2,5% добавок-примесей), среднелегированная (от 2,5 до 10% добавок) и высоколегированная (более 10% добавок).

И углерод, и легирующие элементы влияют в основном на механические свойства стали, то есть на ее твердость, прочность и т. д. При создании тех или иных машин и механизмов инженер принимает во внимание первым делом тоже механические свойства стали; ему совершенно ясно, что чем прочнее металл, тем он работоспособнее, надежнее и долговечнее. Однако влияние легирующих добавок на сталь проявляется гораздо шире. При равной прочности двух деталей, изготовленных одна — из углеродистой стали, а другая — из легированной, вторая (легированная) деталь будет иметь еще целый ряд замечательных свойств: она, скажем, может иметь более высокую химическую стойкость, ударопрочность, электропроводность, закаливаемость и т. д. Но почти всегда легированная сталь дороже углеродистой. Так что применять ее там, где можно обойтись углеродистой сталью,— это попросту стрелять по воробьям из пушки.

Сталь в технике применяют для самых различных целей. В зависимости от применения сталь углеродистая, а соответственно и легированная, подразделяется на конструкционную, инструментальную и сталь специального назначения (в семействе легированных сталей этот последний вид называется «сталь с особыми свойствами»).

Конструкционная сталь, как явствует из названия, идет на изготовление многих машинных деталей и металлических конструкций; при этом легированная конструкционная сталь, как более прочная, ударостойкая и т. п., применяется для более ответственных конструкций.
Сталь инструментальная поступает на производство всевозможного инструмента — измерительного, ударного, режущего и прочего.
Сталь специального назначения (как и сталь с особыми свойствами) расходуется на изготовление только вполне определенных, специальных изделий. Например, в семействе углеродистых сталей есть «сталь специальная для глубокой вытяжки», — значит, ее и применяют в тех случаях, когда надо изготовить детали из одного листа сразу, при этом объемные, сложной формы. Точно так же специальная «автоматная» сталь используется для изготовления деталей на станках-автоматах.

В семействе легированных сталей, как пример «сталей с особыми свойствами», можно назвать «стали немагнитные», или «стали нержавеющие» (стойкие к действию кислот, едких щелочей, газов, влажного воздуха), или «стали теплостойкие» и т. д.

Но это еще не все. На металлургических заводах плавку сталей ведут различными способами. В зависимости от способа получения, от способа плавки стали, содержащие одно и то же количество углерода, будут иметь различный химический состав. А ведь химический состав влияет непосредственно на свойства металла. Средний уровень свойства, конечно, определяется содержанием углерода, а конкретный уровень зависит от того, больше или меньше в стали каких-нибудь примесей, хотя бы того же «вредного» фосфора. Чтобы легче представить себе это, вспомним, какие бывают яблоки: казалось бы, яблоки есть яблоки, но они ведь все разные, потому что уродились на разных деревьях. Да и с одного дерева то яблоко лучше, а это похуже, кислее, качеством ниже.

Примерно так же и стали: конструкционная углеродистая сталь по способу выплавки, то есть по качеству производства, по химическому составу, разделяется на сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную, а инструментальная — на качественную и высококачественную.

С химическим составом легированной стали дело обстоит немного сложнее: ведь он определяется не только процентным содержанием примеси-добавки, но и ее видом, тоже своего рода качеством: какой добавки мы в сталь внесли, получше или похуже. К примеру, если взять две порции одной и той же стали и добавить в них по 12% присадки на каждую — но в одном случае, скажем, хрома, а в другом вольфрама, или марганца, или еще какого-либо химического элемента,— то у нас и получатся два совершенно различных вида стали. Потому что хром сообщает стали одни свойства, а марганец или вольфрам — совсем другие. Теперь нам нетрудно понять, почему же легированная конструкционная сталь по «качеству» (по химическому составу) подразделяется на 14 групп: ведь это связано с использованием 14 основных видов легирующих добавок. Название легирующего элемента дает название и группе сталей в целом (хромистые, марганцевые и т. д.).

И, наконец, последнее. Сталь каждого вида, каждой группы инженеры классифицируют еще и по маркам. Марка — это конкретное «имя» стали. Стали одного и того же семейства, одного и того же качества отличаются друг от друга массой всяких признаков и свойств, как отличаются люди. Все эти различия и зафиксированы в марках — в государственных паспортах сталей. По паспорту можно сразу установить, что за гражданин перед нами, откуда он, сколько ему лет. Так и по маркам стали можно определить многое. Значит, нам нужно уметь читать паспорт-марку сталей.

Марки стали

Однако чаще всего нам в руки попадает сталь без маркировки, а то даже попросту кусок металла или обломок какой-то детали. Как быть с этим «беспаспортным» металлом? Можем ли мы определить марку случайно оказавшейся у нас в руках стали?

Существует множество способов определения вида и свойств стали. Но большинство этих способов требует либо сложного и дорогого оборудования, либо проведения специальных лабораторных испытаний.

Имея электродвигатель и наждачный круг, можно определить вид или даже марку стали по снопу искр, но этот способ сложен и опасен, и в любительской практике применять не рекомендуем.

Приближенно вид стали можно определить на глаз: если рассмотреть сталь на изломе. Чем мельче кристаллики стали, чем они однороднее, тем сталь прочнее, тверже, «качественнее». Можно судить о твердости стали и по пробному запиливанию: мягкая, малоуглеродистая сталь запиливается любым напильником, сталь средней твердости — только бархатным и личным. Самая твердая сталь запиливается только бархатным напильником, да и то с большим трудом.

Мягкие стали (с содержанием углерода до 0,3%) можно вытягивать в холодном состоянии, гнуть и штамповать. Под резцом станка они легко обрабатываются, при этом с них «идет» длинная неломкая стружка. Они хорошо свариваются и легко режутся огнем, но почти не принимают закалки. Стали, содержащие до 0,7% углерода, прочны и упруги, но все же неплохо обрабатываются. Если их подвергнуть закалке, они резко увеличивают свою прочность. Все эти стали мы потому и называем конструкционными, что из них делают бесчисленное множество деталей машин, валы, оси, бандажи колес, балки строительные, трубы, железнодорожные мосты, фермы, гайки, гвозди, болты, пружины и многое-многое другое.

Еще более прочны стали, называемые инструментальными: они содержат до 1,3% углерода. Из них делают инструмент для обработки металлов. Но перед тем, как пустить этот инструмент в работу, его закаливают. И сталь от закалки становится очень твердой. Такую сталь резец почти и не «берет».

Возникает вопрос: если та либо другая сталь в зависимости от присущих ей свойств применяется для вполне определенных целей (деталей), то нельзя ли по детали догадаться, из какой марки металла она изготовлена? Ведь мы уже много раз повторяли, что, например, инструментальная сталь идет на изготовление инструмента и т. д.

Взгляните на рис. 1. У каждого металла, использованного при изготовлении тракторных деталей, свое назначение, свое место в узле двигателя. И наоборот, для каждой конкретной детали потребовался «свой» конкретный металл.

Рис. 1. Применение металлов в тракторном двигателе: 1 — углеродистая сталь с повышенным содержанием марганца (зубчатый венец маховика); 2 — серый чугун, сталь, бронза, алюминий, пружинная сталь (детали топливного насоса); 3 — серый чугун (поддон); 4 — пружинная сталь (пружина клапана); 5 — хромоникелевая сталь (впускной клапан); 6 — клапанная жаропрочная сталь (выпускной клапан); 7 — углеродистая сталь (поршневой палец); 8 — легированный чугун (гильза блока цилиндров); 9 — износоустойчивый чугун (поршневое кольцо); 10 — алюминиевый сплав (поршень); 11 — углеродистая сталь с повышенным содержанием марганца (коленчатый вал); 12 — высокооловянный баббит (вкладыш).

Известные нам уже марки углеродистой стали обыкновенного качества находят в технике чаще всего такое применение:

Ст. О, Ст. 1 и Ст. 2 — для изготовления шайб, заклепок, прокладок, иногда гаек и гвоздей. Из этих сталей часто делают листы, идущие на производство сварных конструкций.
Ст. 3 — для изготовления винтов, болтов, заклепок, уголков, швеллеров и т. д.
Ст. 4 — идет на зубчатые колеса, фланцы.
Ст. 5 — нужна при изготовлении валов, клиньев, осей, растяжек, цепей и т. д.
Ст. 6 — незаменимая в дешевом и массовом производстве рельсов, бандажей, шпинделей, кулачков, втулок и т. п.
Ст. 7 — идет на изготовление рессор, пружин, молотов, кувалд и т. д.

Приводимыми здесь списками деталей далеко не ограничены области применения углеродистых сталей.

Кроме того, те же самые детали могут быть изготовлены (и в технике на самом деле изготавливаются) из легированных сталей. По качеству легированная сталь значительно превосходит углеродистую: она прочнее, хорошо сваривается и лучше противостоит ударным нагрузкам. Машины и конструкции из этой стали имеют меньший вес (при прочих равных условиях). Если инженер при конструировании, например, крепления получил расчетный диаметр болта равным 12 мм, то он может:

1) поставить болт из углеродистой стали диаметром 12 мм;
2) поставить болт из легированной стали диаметром 6—10 мм, и на прочности соединения это не скажется;
3) поставить болт из легированной стали диаметром 12 мм, и тогда соединение выдержит большую нагрузку, больший нагрев и т. д.

Вот почему в технике сплошь и рядом детали одинакового названия и одинакового, казалось бы, назначения изготавливают из различных видов стали.

Легированные конструкционные стали перечислить просто нет возможности — так их много. В технике мы часто встречаем, например, легированные хромистые стали; они идут на изготовление:

шестерен кулачковых муфт, шпинделей, валов (стали 15Х, 20Х, 40Х, 45Х, 50Х, 38ХА и др.);
пальцев, распределительных валиков (стали 20ХФ, 40ХС, ЗОХГСА);
клапанов, гидравлических прессов, хирургического инструмента, бытовых ножей, вилок, ложек, лопаток турбин, болтов, пружин (стали нержавеющие 0X13, 1X13, 2X13, 3X13, 4X13 и др.);
бритв и хирургического инструмента (стали Х05);
сверл, метчиков, разверток (стали 9ХС, В1);
длинного режущего инструмента (ХГ, ХГС, ХВГ);
деревообрабатывающего инструмента (9Х, 5ХВ2С);
шариков, роликов и колец шарикоподшипников (ШХ6, ШХ9).

Из марганцевой стали (Г13) делают гусеницы тракторов, стрелки трамвайных и железнодорожных линий и многое другое.

Из вольфрамовой стали (Р9, Р12, Р18) изготавливают высококачественный режущий инструмент: резцы, сверла, фрезы. Хро-моникелевая нержавеющая сталь (например, Х18Н10Т) незаменима в химической промышленности (емкости, реакторы, аппараты и т. д.).

Прочитав этот перечень, поневоле можно схватиться за голову. И в самом деле: какую же сталь для нашей технической самодеятельности выбрать? Какая же сталь лучше?
Если после всего, что мы неоднократно повторяли выше, кому-либо придет на ум такой вопрос, значит, он ничего не понял. Малыши в зоопарке любят спрашивать: «А кто победит — слон или тигр?» Малыши еще не знают, что ставить так вопросы серьезным людям нельзя. Что означает сравнение — слона ли с тигром, лошади с машиной или одной стали с другой? Это означает сопоставление похожих свойств в похожих (одинаковых) условиях. Слон сильнее тигра по поднятию тяжестей, но он прыгает хуже, не правда ли? Поэтому спрашивать, кто из них победит, не уточняя, в чем они будут соревноваться,— это по-детски.

То же самое и с металлами. Какая сталь лучше — а для чего? Одна сталь хороша для танка, а другая пригодна лишь для трубы самовара. Из некоторых сталей готовят детали космических ракет, а иным сталям только и место, что в школьных перьях. Ни хуже, ни лучше от этого сталь не делается: каждая хороша на своем месте, и у каждой — свой «характер», свои достоинства.

Так быть нам среди обширного ассортимента сталей? На чем наш выбор остановить? Этот вопрос не имеет однозначного ответа. Ведь выбор стали и металла (и материала вообще) для конкретной детали диктуется конкретными условиями: местом детали в конструкции, ее функциями. Будет ли она вращаться? Если да, то с какой скоростью? Или ей предстоит изгибаться? Тогда с какой нагрузкой? Как часто? И т. д.

К подбору и разработке любительской конструкции надо подходить хоть немного инженерно. Это значит, что на любой вопрос о конструкции, о ее работе, о работе составляющих ее деталей надо дать себе исчерпывающий ответ. Без такого знания и расчета конструкцию не изготовить. Если же основные рабочие характеристики детали — узла, конструкции в целом — нам известны, подобрать материал не составит труда: выбор-то немалый.