Стандартные стали — это основа современного точного производства. От автомобильных компонентов и аэрокосмических фитингов до медицинских изделий и промышленного оборудования — стандартные стали являются наиболее широко используемыми инженерными материалами на планете. Если вы закупаете стальные детали, обработанные на станках с ЧПУ, понимание различных семейств стандартных сталей — их свойств, систем обозначения и особенностей обработки — необходимо для выбора правильного материала для вашего проекта.

В этом руководстве мы разбираем, что такое стандартные стали, как они классифицируются и как ведущие партнёры по точной обработке для OEM, такие как Shengmaisi Hardware превращают стандартные марки стали в компоненты с узкими допусками, готовые к использованию.

Стандартные стали — это общий термин для большого семейства железоуглеродистых сплавов, которые обладают ковкостью в некотором диапазоне температур сразу после затвердевания из расплавленного состояния. Они производятся путем рафинирования чугуна и железного и стального лома в печи, удаления нежелательных элементов и последующего добавления желательных элементов в заданных количествах.

Основным сырьём для производства стали служат железная руда, уголь и известняк. В доменной печи эти материалы превращаются в чугун, который содержит значительное количество углерода, марганца, серы, фосфора и кремния. Чугун твёрд и хрупок и не подходит для непосредственной обработки в кованые изделия. Сталеплавильное производство рафинирует чугун, а также железный и стальной лом, удаляя из расплава нежелательные элементы и легируя его элементами, которые придают свойства, необходимые конструкторам.

Основная реакция в большинстве процессов производства стали — это соединение растворенного углерода с кислородом с образованием газа. Если растворенный кислород не удаляется из расплава до или во время разливки, газообразные продукты продолжают выделяться во время затвердевания. Степень раскисления напрямую влияет на свойства готовой стали и на ее поведение при механической обработке:

— сильно раскисленная; при затвердевании газ не выделяется, и сталь спокойно залегает в изложнице. Спокойные стали плотные, однородные и предпочтительны для термообработанных и высоконагруженных деталей.

— частично раскисленная; при затвердевании выделяется ограниченное количество газа.

— переходная марка с контролируемым выделением газа после начального спокойного периода.

— слабо раскисленная; значительное выделение газа создаёт поверхность с корочкой или слоистой структурой. Спокойные стали имеют пластичную, чистую наружную поверхность, но менее однородны по поперечному сечению.

Для ответственных применений ЧПУ-обработки могут быть заданы специальные методы раскисления и вакуумной обработки, чтобы снизить содержание растворённых водорода и азота, которые в противном случае вызывают пористость, трещины или неоднородность в прецизионно обработанных деталях.

Содержание углерода в распространённых марках стали колеблется от нескольких сотых процента до примерно 1 процента. Все стали также содержат в различных количествах другие элементы — главным образом марганец, который действует как раскислитель и способствует горячей обработке. Кремний, фосфор и сера также всегда присутствуют, пусть даже в следовых количествах.

Другие элементы могут присутствовать либо как остаточные примеси, внесенные из сырья и в процессе производства стали, либо как преднамеренные легирующие элементы, добавленные для изменения твердости, прочности, микроструктуры, коррозионной стойкости, формуемости и обрабатываемости.

Кованые стали систематически классифицируются на основе химического состава, способа раскисления, метода отделки или формы продукта. Химический состав является наиболее распространённой основой для присвоения стандартных обозначений. Стандартные стали делятся на три широкие семьи: углеродистые стали, легированные стали и нержавеющие стали.

Сталь считается углеродистой, если содержание марганца ограничено максимумом 1,65%, кремния — максимумом 0,60%, а меди — максимумом 0,60%. Помимо раскислителей и, при необходимости, бора, другие легирующие элементы намеренно не добавляются — хотя остаточные элементы могут присутствовать. Если случайные элементы вредны для специального применения, максимально допустимые пределы могут быть указаны на чертеже или в заказе на покупку.

В отличие от большинства легированных сталей, углеродистые стали чаще всего используются без финальной термической обработки. Однако их можно отжигать, нормализовать, подвергать поверхностной закалке или улучшению для повышения технологичности или механических свойств. Углеродистые стали могут быть спокойными, полуспокойными, кипящими или раскисленными, и при необходимости можно указать метод раскисления.

Распространённые марки углеродистой стали для ЧПУ-обработки включают AISI 1018, 1020, 1045 и 12L14 (автоматная). Эти марки экономичны, легкодоступны и хорошо поддаются точению, фрезерованию, сверлению и нарезанию резьбы на 3-осевых и 4-осевых обрабатывающих центрах с ЧПУ.

Легированные стали включают все марки, которые превышают пределы содержания элементов для углеродистой стали, а также марки, в которые другие элементы намеренно добавляются в определённых диапазонах или минимальных количествах для улучшения механических свойств, технологических характеристик или любого другого свойства стали. Согласно этому широкому определению, легированные стали охватывают все стали, кроме углеродистых; однако по традиции стали, содержащие более 3,99% хрома, рассматриваются как «специальные типы» — к которым относятся нержавеющие стали и многие инструментальные стали.

В практическом смысле термин «легированная сталь» относится к маркам, содержащим умеренное количество легирующих элементов (примерно 1–4%), которые обычно требуют термической обработки для достижения своих специфических механических свойств. Типичные легированные стали, используемые в точной ЧПУ-обработке, включают 4140, 4340, 8620 и 6150. Легированные стали всегда полностью раскислены, и для ответственных применений могут быть заданы специальные методы раскисления или выплавки, включая вакуумную плавку. Поскольку легированные стали более чувствительны к термическим и механическим операциям, они требуют особой тщательности на протяжении всего производства, поэтому так важно работать с опытным партнёром по ЧПУ-обработке.

Нержавеющие стали — это высоколегированные стали, ценные своей превосходной коррозионной стойкостью по сравнению с углеродистыми и обычными низколегированными сталями. Эта коррозионная стойкость обусловлена главным образом хромом. Нержавеющие стали обычно содержат не менее 10% хрома; в практике США марки с содержанием хрома всего 4% также включаются в семейство нержавеющих и жаростойких сталей. Лишь немногие нержавеющие стали содержат более 30% хрома или менее 50% железа.

Стандартные нержавеющие стали делятся на три группы в зависимости от их микроструктуры:

Аустенитные марки немагнитны в отожжённом состоянии (хотя некоторые становятся слегка магнитными после холодной обработки). Они могут упрочняться только холодной обработкой, а не термической обработкой, и сочетают выдающуюся коррозионную и жаростойкость с хорошими механическими свойствами в широком диапазоне температур. Наиболее широко используемая марка — 18-8 (Cr-Ni), более известная как нержавеющая сталь 304 — универсальная аустенитная марка. На её основе создано более 20 модификаций, включая:

Ферритные марки всегда магнитны и содержат хром, но не содержат никеля. Они могут быть в некоторой степени упрочнены холодной обработкой, но не термической обработкой, и сочетают коррозионную и жаропрочность с умеренными механическими свойствами и декоративной отделкой. Базовая ферритная марка содержит 17% хрома (например, нержавеющая сталь 430). Ферритные марки, как правило, ограничены более узким диапазоном агрессивных сред, чем аустенитные марки.

Мартенситные марки являются магнитными и могут быть упрочнены закалкой и отпуском. Они содержат хром и, за двумя исключениями, не содержат никеля. Базовая мартенситная марка содержит около 12% хрома (например, нержавеющая сталь 410). В мартенситной серии существует более 10 стандартных составов — некоторые модифицированы для улучшенной обрабатываемости резанием, другие с небольшими добавками никеля или других элементов для улучшения механических свойств или отклика на термическую обработку. Ещё другие имеют значительно повышенное содержание углерода, попадая в диапазон инструментальных сталей и упрочняясь до самых высоких уровней среди всех нержавеющих марок (например, 440C). Мартенситные нержавеющие стали превосходно работают в мягких средах, таких как атмосфера, пресная вода, пар и слабые кислоты, но не подходят для сильно коррозионных растворов.

Торговыми ассоциациями, инженерными обществами, организациями по стандартизации и отраслевыми группами было разработано несколько систем нумерации. Основные системы, на которые может ссылаться ваш партнёр по ЧПУ-обработке, включают:

— Американский институт чугуна и стали

— Общество автомобильных инженеров

— Американское общество по испытаниям и материалам

— Американский национальный институт стандартов

— Американское общество инженеров-механиков

— Американское общество сварщиков

Унифицированная система нумерации (UNS) была разработана совместно ASTM и SAE для соотнесения различных систем нумерации и устранения путаницы, когда несколько идентификаторов относятся к одному и тому же материалу — или когда один и тот же номер относится к двум совершенно разным материалам. Номер UNS не является спецификацией; это идентификационный код. Каждый номер UNS состоит из буквенного префикса, за которым следуют пять цифр. Например, номер UNS для стали AISI 1020 — G10200. Буквенный префикс часто указывает на семейство металлов — A для алюминия, C для меди и G для углеродистых и легированных сталей.

Когда вы отправляете чертёж или запрос цены поставщику услуг по ЧПУ-обработке, указание марки AISI/SAE (или номера UNS) вместе с требуемым состоянием — горячекатаное, холоднотянутое, отожжённое, нормализованное, закалённое и отпущенное — гарантирует, что ваши детали каждый раз будут обрабатываться из правильного материала.

Кованые стали являются наиболее широко используемыми из всех конструкционных материалов, поскольку они предлагают непревзойденный диапазон форм, отделки, прочности и рабочих температурных диапазонов. Ни один другой материал не обеспечивает сопоставимую универсальность для проектирования изделий. В частности, для ЧПУ-обработки стандартные стали предлагают несколько практических преимуществ:

— такие марки, как 12L14, 1144, 303 и 416, разработаны для контроля стружки и длительного срока службы инструмента.

— стандартизированный химический состав и реакция на термообработку означают, что детали работают так, как задумано, от партии к партии.

— стандартные стальные прутки, листы и плиты имеются на складах по всему миру, что сокращает сроки поставки и снижает стоимость материала.

— для несущих и конструкционных компонентов стандартные стали обеспечивают соотношение прочности и стоимости, с которым мало какие материалы могут сравниться.

— стандартные стали допускают гальваническое покрытие, анодирование (на низкоуглеродистых вариантах), порошковую окраску, пассивацию и черное оксидирование.

Shengmaisi Hardware — ведущий производитель OEM-точного машиностроения, стремящийся предоставлять комплексные производственные решения для стандартных стальных деталей — от быстрых прототипов до полномасштабного производства. Располагая более чем 20 обрабатывающими центрами с ЧПУ 3-, 4- и 5-осевой обработки, а также прецизионным шлифовальным оборудованием, мы производим индивидуальные стальные компоненты из углеродистой стали, легированной стали, нержавеющей стали, титана и алюминия с жесткими допусками до ±0,01 мм.

Как производитель, сертифицированный по ISO 9001, мы поддерживаем зарубежных клиентов с помощью:

Независимо от того, требует ли ваш проект свободно обрабатываемых втулок из углеродистой стали, термообработанных валов из легированной стали или коррозионностойких фитингов из нержавеющей стали, наша команда поможет вам выбрать подходящую стандартную марку стали и изготовить её по чертежу. Запросите бесплатную смету сегодня и узнайте, почему мировые покупатели доверяют Shengmaisi Hardware в производстве прецизионных стальных деталей на станках с ЧПУ.