Сталь - продукт черной металлургии, главный Из него производят строительную арматуру, металлопрокат различного профиля, трубы, детали, механизмы и инструменты.

Производство стали

Черная металлургия занимается и стали. Чугун - твердый, но не прочный материал. Сталь - прочный, надежный, пластичный, склонный к используемый в литейном производстве, прокатке, ковке и штамповке.

Существует несколько способов выплавки стали:

1. Конверторный. Оборудование: Шихта (исходные материалы): стальной металлолом, известняк. Производятся только углеродистые стали.
2. Мартеновский. Оборудование: мартеновская печь. Шихта: жидкий чугун, стальной металлолом, железная руда. Универсален как для углеродистых, так и для легированных сталей.
3. Электродуговой. Оборудование: электродуговая печь. Шихта: стальной металлолом, чугун, кокс, известняк. Универсальный метод.
4. Индукционный. Оборудование: индукционная печь. Шихта: стальной и чугунный металлолом, ферросплавы.

Суть процесса производства стали - уменьшение количества негативных химических включений с целью получения металла, который в народе называют «железом», а точнее - железоуглеродистого сплава с содержанием углерода в нем не больше 2,14%.

Процессы раскисления

Для стали на завершающем этапе выплавки характерен процесс кипения, на который влияют присущие в ней азот, водород, окиси углерода. Такой сплав в затвердевшем состоянии имеет пористую структуру, которая убирается прокаткой. Он мягкий и пластичный, однако недостаточно прочный.

Процесс раскисления заключается в деактивации кипящих примесей путем ввода в сплав ферромарганца, ферросилиция, алюминия. В зависимости от количества остаточных газов и раскислительных элементов, сталь может быть полуспокойная или спокойная.

Готовую сталь требуемой степени раскисления разливают в изложницы для кристаллизации и использования на последующих технологических этапах изготовления готовой стальной продукции.

Классификация углеродистой стали

Всю сталь, существующую на мировом рынке, можно разделить на углеродистую и легированную. Все марки углеродистой стали разделяются по разным группам классификатора и особенностям обозначения.

Исходя из основных классификационных признаков, выделяют:

1. Углеродистые конструкционные стали. В них карбона меньше 0,8%. Они используются для изготовления арматуры, прокатной продукции и литья.
2. Углеродистые инструментальные стали, которые содрежат карбон в количестве от 0,7% до 1,3%. Их используют для инструментов, оборудования приборов.

По способам раскисления:

• кипящие - раскислительных элементов (РЭ) в составе меньше 0,05%;
• полуспокойные - 0,05%≤РЭ≤0,15%;
• спокойные - 0,15%≤РЭ≤0,3%.

По химическому составу:

• малоуглеродистые (0,3%≤С);
• среднеуглеродистые (0,3≤С≤0,65%);
• высокоуглеродистые (0,65≤С≤1,3%).

В зависимости от микроструктуры:

• доэвтектоидные - в такой стали углерода в составе меньше 0,8%;
• эвтектоидные - это стали с содержанием углерода 0,8%;
• заэвтектоидные - стали с содержанием углерода свыше 0,8%.

По качеству:

1. Обычного качества. Серы здесь содержится меньше 0,06%, фосфора - не больше 0,07%.
2. Качественные стали. Они не содержат серы и фосфора больше 0,04%.
3. Высококачественные. Количество серы тут не превышает 0,025%, а фосфора - не больше 0,018%.

По основному стандарту марки углеродистой стали распределяют на:

• конструкционные обычного качества;
• конструкционные качественные;
• инструментальные качественные;
• инструментальные высококачественные.

Особенности маркировки конструкционной стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества содержат: С - до 0,6%, S - до 0,06%, P - до 0,07%. Давайте рассмотрим, как маркируется эта углеродистая сталь. ГОСТ 380 определяет следующие нюансы обозначения:

• А, Б, В - группа; А - не обозначается в марках;
• 0-6 после букв «Ст» - порядковый номер, в котором зашифрован химический состав и (или) механический свойства;
• Г - наличие Мангана Mn (марганца);
• кп, пс, сп - степень раскисления (кипящая, полуспокойная, спокойная).

Цифры от 1 до 6 после обозначения степени раскисления через тире - это категории. При этом первая категория не обозначается никак.

Буквы же М, К в начале марки могут означать металлургический способ производства: мартеновский или кислородно-конверторный. Между прочим, углеродистые стали обыкновенного качества представлены количественным составом марок, примерно в 47 штук.

Классификация конструкционных сталей обыкновенного качества

Углеродистые стали обыкновенного качества разделяются на группы.

• Группа А: стали, которые должны точно соответствовать заданным механическим свойствам. Потребителю они поставляются чаще всего в виде листового и многопрофильного проката (листы, тавры, двутавры, арматура, заклепки и корпуса). Марки: Ст0, Ст1 - Ст6 (кп, пс, сп), категории 1-3, в том числе Ст3Гпс, Ст5Гпс.
• Группа Б: стали, которые должны быть регламентированы необходимым химическим составом и свойствами. Изготавливается литье и прокат, который будет подвергаться дополнительной механической обработке давлением в горячем состоянии (ковка, штамповка). Марки: БСт0, БСт1 (кп-сп), БСт2 (кп, пс), БСт3 (кп-сп, в том числе БСт3Гпс), БСт4 (кп, пс), БСт 6 (пс, сп), категории 1 и 2.
• Группа В: стали, которые должны соответствовать нужным химическим, физическим, механическим и технологическим свойствам. Этой группе присуще разнообразие марок, из которых изготавливается пластичный листовой прокат, прочная арматура для работы в зонах значительных температурных перепадов, ответственные детали (болты, гайки, оси, пальцы поршней). Всю продукцию различного состава, свойств и марок этой группы объединяет хорошая технологическая свариваемость. Марки: ВСт1-ВСт6 (кп, пс, сп), ВСт5 (пс, сп), в том числе ВСт3Гпс, категории 1-6.

Конструкционные стали обыкновенного качества - сплавы, имеющие широкое разноплановое использование в промышленности.

Маркировка углеродистой качественной стали

Углеродистые качественные стали имеют в составе S и P не более 0,04%, соответственно.

Маркировка (ГОСТ 1050-88):

• цифры 05-60 - зашифрованное наличие углерода (минимальное - 0,05%, максимальное - 0,6%);
• кп, пс, сп - степень раскисления («сп» не обозначается);
• Г, Ю,Ф - содержат марганец, алюминий, ванадий.

Исключения в маркировке

Углеродистые качественные стали в своей маркировке имеют исключения:

• 15К, 20К, 22К - качественные стали, применимы в котлостроении;
• 20-ПВ - углерода - 0,2%, сталь применима в изготовлении труб методом горячей прокатки, в котлостроении и монтаже отопительных систем, содержит медь и хром;
• ОсВ - сталь для изготовления вагонных осей, содержит никель, хром, медь.

Для всех марок качественных сталей характерна возможная необходимость использования термической (к примеру, нормализация) и химико-термической обработки (к примеру, цементация).

Классификация углеродистых качественных сталей

Этот вид углеродистых сталей можно условно разделить на 4 группы:

1. Высокопластичный материал, применимый для холодной механической обработки (прокатки), листовой и трубный прокат. Марки - сталь 08пс, сталь 08, сталь 08кп.
2. Металл, используемый в горячей прокатке и штамповке, который будет работать в термически агрессивных условиях. Марки - от сталь 10 до сталь 25.
3. Сталь, нашедшая применение в изготовлении ответственных деталей, в том числе пружин, рессор, муфт, болтов, валов. Марки - от сталь 60 до сталь 85.
4. Стали, требующие надежной эксплуатации в агрессивных условиях (к примеру, цепь гусеничного трактора). Марки сталь 30, сталь 50, сталь 30Г, сталь 50Г.

Также возможно разделить на 2 группы все известные марки углеродистой стали из класса качественных: конструкционные обычные и конструкционные марганецсодержащие.

Применение углеродистой конструкционной стали

Углеродистые инструментальные стали отличаются высокой прочностью и ударной вязкостью. Они обязательно подлежат многоступенчатой термообработке.

Марочное обозначение (ГОСТ 1435-74):

• У - углеродистая инструментальная;
• 7 -13 - содержание углерода в ней 0,7-1,3%, соответственно;
• Г - наличие в составе марганца;
• А - высококачественная.

Исключениями из основных принципов маркирования углеродистых инструментальных сталей - материал для деталей часовых механизмов А75, АСУ10Е, АУ10Е.

Требования к углеродистым инструментальным сталям

В соответствии с ГОСТом, инструментальные стали должны соответствовать ряду характеристик.

Необходимые физико-химические и механические свойства: качественные показатели твердости, ударной вязкости, прочности, стойкости к температурным изменениям во время эксплуатации (во время резки, сверления, ударных нагрузок), устойчивость к коррозии.

Заданные технологические свойства:

• стойкость к негативным процессам технологии резания (налипание стружки, наклеп);
• хорошая обрабатываемость точением и шлифованием;
• податливость к термообработке;
• стойкость к перегреву.

Для повышения качественных механических и технологических показателей инструментальные стали подвергают многоступенчатой термообработке:

• отжиг исходного материала перед изготовлением инструментов;
• закалка (охлаждение в растворах солей) и последующий отпуск готовых изделий (в основном, низкий отпуск).

Полученные свойства определяются химическим составом и полученной микроструктурой: мартенсит с цементитными и аустенитными включениями.

Использование углеродистых инструментальных сталей

Применяются описываемые стали для изготовления всевозможных инструментов: режущих, ударных, вспомогательных.

• Сталь У7, У7А - молотки, зубила, топоры, стамески, кувалды, долота, рыболовные крючки.
• Сталь У8, У8А, У8Г - пилы, отвертки, кернеры, зенковки, фрезы, плоскогубцы.
• Сталь У9, У9А - слесарный инструмент, инструмент для резки по дереву.
• У11, У11А - рашпили, метчики, вспомогательный инструмент для штамповки и калибровки.
• У 12, У12А - развертки, метчики, измерительные инструменты.
• У13, У13А - напильники, бритвенные и хирургические инструменты, штамповочные пуансоны.

Рациональный выбор марки углеродистой стали, технологии ее термообработки, понимание ее свойств и особенностей - залог длительной службы производимых, обрабатываемых или используемых конструкций или инструментов.

Углеродистая сталь, марки которой описаны ниже, широко применяется в различных отраслях. Выбор определенной марки углеродистой стали осуществляется, исходя из конкретной цели, в которой она будет использована. Это связано с тем, что каждая марка отличается своими характеристиками.

Классификация стали

Все углеродистые стали, в зависимости от области предназначения, разделяются на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали, и делятся по нескольким параметрам:

• Метод раскисления.
• Состав химических элементов.
• Микроструктура.
• Качество.

Согласно основным стандартам, углеродистые стали делятся на:

• Конструкционную обычную.
• Конструкционную качественную.
• Инструментальную качественную.
• Инструментальную высокого качества.

Технология изготовления

Изготовление стали в металлургической промышленности производится различными способами. Каждый метод производства отличается, в зависимости от применяемого оборудования. Так, все оборудование для производства углеродистых сталей можно разделить на три типа:

• Конверторные плавильные печи.
• Печи мартеновского типа.
• Электрические печи.

Конверторные

Конверторные печи осуществляют расплавление всего состава сплава. При таком методе расплавленная масса подвергается обработке техническим кислородом. Для очистки раскаленной массы от разнообразных примесей в нее добавляют известь. Так удается превратить примеси в шлак. Во время производственного процесса активно происходит процесс окисления металла. Это провоцирует выделение большого количества угара.

Изготовление углеродистых сталей в печах конверторного типа имеет существенный недостаток. К нему относится то, что при работе происходит выделение большого количества пыли. Это приводит к необходимости установки дополнительных фильтровальных установок, что влечет за собой затраты денежных средств. Несмотря на это, конверторный метод имеет высокую производительность, и широко применяется в металлургии.

Мартеновские

Получение различных марок углеродистой стали с использованием печей мартеновского типа дает возможность получить конечный продукт высокого качества. Производственный процесс происходит следующим образом:

• В специализированный отсек печи загружаются составляющие сплава: чугун, стальной лом и т. д.;
• Весь состав нагревается до высокой температуры;
• Под воздействием температуры все составляющие превращаются в однородную раскаленную массу;
• При плавлении происходит взаимодействие всех компонентов сплава железа и углерода;
• Материал, получившийся в результате химического взаимодействия, выходит из печи.

Электрические

Способ получения различных марок углеродистой стали в электрических печах отличается от вышеперечисленных. Его отличие состоит в способе нагрева состава. Применение электричества для разогрева компонентов снижает окисляемость металла. Это значительно уменьшает количество водорода в составе металла, что улучшает структуру сплава и влияет на качество окончательного продукта.

Использование стали

Углеродистая сталь различных марок используется для изготовления конструкций во многих отраслях. В зависимости от области применения продукции, используются определенные марки.

Обычного качества

Количество посторонних примесей, находящихся в готовой продукции, регламентировано ГОСТ 380-2005. Углеродистая сталь обычного качества используется для производства:

• Ст0 – обшивки, арматуры и т. д.;
• Ст1 – швеллеров, тавровых и двутавровых балок. Отличается низкой твердостью, но хорошей вязкостью;
• Ст2 – частей неответственных конструкций. Является высокопластичным материалом;
• Ст3 – металлопроката, применяемого для возведения строительных конструкций, кузова, дисков автомобильной техники и т. п.;
• Ст5 – болтов, гаек, рычагов, пальцев, осей и т. д.;
• Ст6 – деталей повышенной прочности для деревообрабатывающих и металлообрабатывающих станков.

Качественная

Из марок качественной стали изготавливают:

• Трубы и детали, которые применимы в котлостроении.
• Изделия с высокой пластичностью – болты, гайки и др.
• Детали, предназначенные для создания свариваемых конструкций.
• Различного рода патрубки, пальцы, оси.
• Шестерни, муфты сцепления грузовых автомобилей, автобусов и другой техники.
• Пружинные шайбы, кольца.

Инструментальная

Углеродистые инструментальные стали разных марок имеют повышенную прочность, и большой показатель ударной вязкости. Они применяются для создания всевозможных инструментов и сменных элементов. При производстве изделия подвергаются многократному воздействию высокой температуры, что улучшает их физические свойства. Изделия устойчивы к быстрому изменению температуры, и имеют высокую устойчивость к коррозии.

Маркировка стали

Все углеродистые согласно маркировке стали делятся на три категории:

• Группа А. К ней относятся сплавы, соответствующие строго заданным механическим свойствам;
• Группа Б. Стали этой группы четко соответствуют по химическому составу;
• Группа В. Продукция этой группы должна соответствовать механическим, физическим и химическим свойствам одновременно.

У стали обыкновенного качества в начале обозначения стоят буквы Ст. За буквами Ст в маркировке идет цифровое обозначение. Цифра в маркировке обозначает номер марки металла. Далее, после номера, вписывается тип сплава. Обозначение типа сплава следующее:

• КП – кипящий;
• ПС – полуспокойный;
• СП – спокойный.

Непосредственно перед буквенным обозначением сплава стоит буква, обозначающая группу стали. Если продукт относится к группе А, то буква не проставляется.

Для быстрого определения марки производитель наносит специализированной краской соответствующие полосы:

• Ст0 – зеленая полоса + красная.
• Ст1 – одна желтая + одна черная.
• Ст3Гсп – коричневая + синяя.
• Ст3 – красная.
• Ст4 – черная.
• Ст5Гпс – коричневая + зеленая.
• Ст5 – зеленая.
• Ст6 – синяя.

Степень наличия углерода в материале определяется в самом начале. Количество углерода для металла группы А указывается в сотых частях процента. Для Б и В – в десятых. В некоторых случаях после этих цифр производитель проставляет букву Г. Она означает, что в изделии содержится большое количество марганца.

Категории качественной стали

Качественные стали разной маркировки можно разделить на несколько категорий:

• 08пс, 08кп – имеют высокую пластичность. Хорошо подходят для холодной прокатки;
• От 10 до 25 – используется для горячей штамповки или прокатки;
• От 60 до 85 – применяется для выполнения ответственных конструкций, таких как рессоры, пружины, муфты сцепления;
• 30, 50, 30Г, 50Г – повышенной прочности, выдерживающие большие нагрузки.

Исключения в обозначениях

Качественные стали имеют некоторые исключения в обозначениях. К ним относятся:

• 15К, 20К, 22К – применяются в строении котлов;
• 20-ПВ – имеет в своем составе 0.2 процента углерода и медь с хромом. Из нее выполняются трубы для систем отопления;
• ОсВ – содержит добавки никеля, хрома и меди. Из нее изготавливают оси железнодорожных вагонов;
• А75, АСУ10Е, АУ10Е – применима для деталей в часовых механизмах.

Из вышеперечисленного следует, что перед использованием изделия из углеродистой стали необходимо обратить внимание на его маркировку. Так можно определить его физико-химические свойства и область предназначения. Зная значение маркировки металлической продукции, не возникнет трудностей при подборе конкретного вида для любых целей.

Железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун. Процентное содержание углерода в стали

Определение массовой доли углерода в стали и марки стали по ее структуре

Возможность определения массовой доли углерода в стали по структуре, обусловливается тем обстоятельством, что структурные составляющие медленно охлажденной, т.е. находящейся в равновесном состоянии стали, содержат определенные и постоянные массовые доли углерода. При изменении доли углерода в такой стали в пределах данной структурной группы (доэвтектоидная, заэвтектоидная) изменяется только количественное соотношение структурных составляющих. Из этого вытекает, что определение массовой доли углерода может производиться только по равновесной структуре.

Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей.

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по

где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %; 0,8 – % С в перлите.

Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (3.1), можно по таблицам определить марку этой стали.

Влияние примесей на свойства сталей

В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Мn и Si в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; S и Р в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; Сr и Ni переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, Мп и Si повышают твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость – хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а S – горячеломкость (красноломкость) – хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод.

Каждой марке углеродистой стали соответствуют регламентированные стандартами определенные пределы содержания углерода.

Маркировка углеродистых сталей

По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-94). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 3.1). Если после марки стоят буквы "кп" - это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если "сп" – сталь спокойная, получаемая полным раскисленнем (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если "пс" – сталь полуспокойная промежуточного типа.

Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в

строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения. В судостроении применяются как корпусные, для малоответственных конструкций, деталей машин, механизмов и устройств судов и плавительных средств всех типов.

2. Стали конструкционные углеродистые качественные (ГОСТ 1050-88).

К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента (табл. 3.2).

Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %.

Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.

Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.

Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50), обладающие после термической обработки хорошим комплексом механических свойств, применяются для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес).

Высокоуглеродистые стали (55, 60) обладают более высокий прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы и т.п.

3.Стали углеродистые инструментальные качественные и высококачественные (ГОСТ 1435-90).

Эти стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 3.3). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква "А", это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки, напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12, У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры и тому подобное изготавливают из сталей У7 и У8.

Табл. 3.1. Химический состав углеродистых конструкционных сталей

обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Марка стали	Массовая доля элементов, %

Табл. 3.3. Химический состав углеродистых инструментальных

качественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435-90.

Марки стали	Массовая доля элементов, %

studfiles.net

Железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун.

Сталь - это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.

К сталям относятся:

техническое железо,

конструкционная и

инструментальная сталь.

Чугун - сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5-3,5%.

Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:

кремний и марганец в десятых долях процента (0,15- 0,60%)

сера и фосфор в сотых долях процента (0,05-0,03%) каждого элемента.

Сталь

• проволоки,

• таврового и уголкового железа,

  различного фасонного профиля,

  а также для многочисленных деталей в машиностроении: шестерни, оси, валы, шатуны, болты, молотки, кувалды и т.п.

• зубила и др.

Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.

Чугун

Машиностроительный чугунприменяют для производства отливок всевозможных деталей машин.

По составу и строению чугуны делятся на:

Ковкий чугун

Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (Fe3C - цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.

Белый чугун

В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун.

При отжиге цементит разлагается па железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.

Серый чугун

Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния.

Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т.п.).

Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.

www.conatem.ru

2.2. Стали | Материаловед

Для производства различных фасонных отливок в качестве конструкционного исходного материала, обладающего повышенными механическими свойствами, применяют стали конструкционные, инструментальные и с особыми физико–химическими свойствами (легированные).

Отливки из углеродистых, конструкционных сталей, имеющие высокие прочностные свойства, преимущественно получают из следующих марок: сталь 15 Л; 20 Л; 30 Л; 40 Л; 50 Л; 55 Л.

Конструкционные углеродистые стали

Конструкционные углеродистые стали применяют в литейном производстве для изготовления литых деталей, несущих главным образом механические нагрузки (статические, динамические, вибрационные и др.).

Широко применяемые в литейном производстве стали имеют следующий химический состав: 0,15-0,45% С, 0,5-1% Mn, 0,2-0,5% Si. Содержание серы и фосфора должно быть минимальным. Сталь по сравнению с чугуном обладает более высокими механическими свойствами и имеет большую величину усадки (около 2,5 %). Она имеет худшую жидкотекучесть и склонность к образованию внутренних напряжений и трещин. Большинство отливок из углеродистых сталей подвергают термической обработке, которую проводят для улучшения их микроструктуры, механических и эксплуатационных свойств.

Конструкционные углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества, стали качественные и стали высококачественные. Стали обыкновенного качества содержат повышенное количество серы (до 0,05-0,06 %) и фосфора (до 0,04-0,07 %). В качественных сталях максимальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04 %. Кроме того, качественные стали имеют более узкие пределы содержания углерода (0,07-0,08%), в пределах одной марки. В сталях же обыкновенного качества он находится в пределах от 0,09 до 0,11 %. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворимых газов. Поэтому при примерно одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые (низко- и среднеуглеродистые) и легированные, а по структуре - на феррито-перлитного и перлитного классов.

Отливки из низкоуглеродистой стали марок сталь 15 Л…25 Л применяют в электромеханической и машиностроительной промышленности. Их подвергают цементации и закалке. Изготовление фасонных отливок из низкоуглеродистых сталей связано с рядом трудностей: высокой температурой их плавления, пониженной жидкотекучестью и образованием в отливке горячих трещин.

Отливки из среднеуглеродистых сталей марок сталь 30 Л…45 Л применяют преимущественно в машиностроении при изготовлении фасонных деталей сложной формы. Такие отливки подвергают термической обработке, отжигу, нормализации и закалке с последующим отпуском. Среднеуглеродистые стали обладают хорошей жидкотекучестью, меньшей склонностью образования горячих трещин и имеют высокие механические свойства.

Следует отметить, что в связи с высокой температурой плавления и температурой разливки, низкой жидкотекучестью и трудностью заливки форм, стали обыкновенного качества в качестве литейного сплава для изготовления фасонных отливок применяются чрезвычайно редко. Поэтому основным материалом при производстве фасонных стальных отливок являются низко- и среднеуглеродистые стали в зависимости от требуемых механических свойств литых деталей.

Литейные марки качественных углеродистых сталей приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4. Марки углеродистых качественных конструкционных сталей, применяемые для изготовления литых заготовок

Марка стали	Содержание основных элементов, %
	углерода	марганца
15 КП Л	0,12-0,19	0,25-0,50
15 ПС Л	0,12-0,19	0,35-0,65
20 КП Л	0,17-0,24	0,25-0,50
20 ПС Л	0,17-0,24	0,35-0,65
25 Л	0,22-0,30	0,50-0,80
30 Л	0,27-0,35	0,50-0,80
35 Л	0,32-0,40	0,50-0,80
40 Л	0,37-0,45	0,50-0,80
45 Л	0,42-0,50	0,50-0,80
50 Л	0,52-0,60	0,50-0,80
55 ПС Л	0,55-0,63	Не более 0,2
60 Л	0,57-0,65	0,50-0,80

Примечания:

1. В указанных марках содержится не более кремния (Si) – 0,17-0,37%; хрома (Cr) – 0,25%; серы (S) и фосфора (Р) не более 0,04% (каждого).
2. В обозначении марок углеродистых качественных сталей цифры показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буква «Л» означает, что сталь литая, буквы «КП», «ПС» - степень раскисления стали; КП – кипящая; ПС – полуспокойная; маркировка без индекса - спокойная.

Среднеуглеродистые стали применяют в машиностроении предпочтительно для изготовления фасонных отливок сплошной формы. Отливки из сталей подвергают термической обработке: отжигу, нормализации и закалке с последующим отпуском.

Как правило, отливки, изготовленные из литейных сталей, обладают высоким временным сопротивлением (400-600 МПа), относительным удлинением (10-24%), ударной вязкостью и достаточной износостойкостью при ударных нагрузках. Основной элемент, определяющий механические свойства углеродистых литейных сталей – углерод.

Инструментальные углеродистые стали применяются для изготовления литого инструмента (режущий, мерительный, штамповочный и т.п.). Марки инструментальных углеродистых сталей приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5. Стали инструментальные углеродистые

В обозначениях марок углеродистых инструментальных сталей цифры показывают среднее процентное содержание углерода в десятых долях процента. Буквы, стоящие за цифрами, указывают: Г – на повышенное содержание марганца в стали; А – на принадлежность стали к группе высококачественных сталей, в которых содержится наименьшее количество вредных примесей (фосфора и серы соответственно не боле 0,018% и 0,025% каждого).

Легированные стали

Механические свойства легированных литейных сталей определяются количеством легирующих элементов. Легирование значительно повышает механические и эксплуатационные свойства (жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость и т.д.). Например, марганец повышает износостойкость, хром – жаростойкость. Никель – коррозионную стойкость и т.д.

Легированные стали используют в энергомашиностроении, химической и нефтяной промышленности и металлургии и других областях. Из них изготовляют методом литья турбинные лопатки, клапаны гидропрессов, зубья ковшей экскаваторов и другие отливки.

Легирующие элементы обозначают русскими буквами:

Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами. Буквы обозначают присутствие в стали определенного легирующего элемента, цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5%, то цифра легирующего элемента не ставится. Содержание углерода в сталях указывается в начале марки легированной стали. Для конструкционных сталей первые цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, для инструментальных (высокоуглеродистых) – в десятых долях процента. Буква «Л», стоящая в конце марки, указывает на то, что эта сталь литая. Пример записи и расшифровки одной из марок легированных жаропрочных сталей: 18Н12МЗТ Л, где Л – сталь литая, 0,18% углерода, 12% никеля, 3% молибдена, до 1,5% титана.

Наиболее высокими физико-механическим свойствами обладают отливки, изготовленные из высоколегированных сталей.

Стали высоколегированные со специальными свойствами подразделяются на следующие группы:

1) коррозионно-стойкие (нержавеющие), обладающие стойкостью против атмосферной коррозии: 25Х18 Л; 20Х13 Л; 10Х17 Н3С Л и др.;

2) кислотоупорные, обладающие сопротивляемостью агрессивным средам (кислотам): 15Х18 Н9Т Л; 5Х18Н11В Л и др.;

3) окалиностойкие (жаростойкие), обладающие стойкостью против окалинообразования (окисления при высоких температурах): 15Х9ЧС2 Л; 25Х23Н7С Л и др.;

4) жаропрочные, сохраняющие достаточно высокую прочность при высоких температурах: 15Х22 Н15 Л; 30×24Н12С Л; 15Х25Н19С2 Л и др.;

5) износостойкие с высокой сопротивляемостью износу при абразивном и ударном воздействиях в разных условиях: 110Г13Л; 15Х34 Л и др.

Легированные стали обладают плохими литейными свойствами и резко повышают себестоимость изготовления литой детали. Поэтому они рекомендуются к применению в исключительных случаях, когда невозможно применение конструкционных качественных углеродистых сталей.

xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai

Максимальное содержание - углерод - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Максимальное содержание - углерод

Cтраница 4

Наименование марок легированных сталей состоит из обозначения элементов и следующих за ним цифр. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее значение содержания легирующего элемента в процентах, кроме элементов, присутствующих в стали в малых количествах. Цифры перед первым буквенным обозначением указывают среднее или максимальное содержание углерода в стали в сотых долях процента.  

Одним из наиболее эффективных и широко применяемых методов защиты от МКК является легирование стали сильными карбидообразующими элементами, такими, как титан и ниобий. Эти элементы связывают углерод в прочные карбиды, тем самым предотвращая образование карбидов хрома и обеспечивая достаточную концентрацию хрома в твердом растворе. Содержание титана принимают равным Ti 5 (С-002) %, ниобия Nb10 (С-002) %, где 0 02 % - максимальное содержание углерода, при котором сохраняется стойкость стали против МКК. Преимуществом ниобия перед титаном является более высокая устойчивость его карбидов к растворению при повышении температуры закалки и к выгоранию при сварке, однако ниобий придает сталям склонность к горячим трещинам при сварке.  

В марках нержавеющих высоколегированных сталей по ГОСТ 5632 - 72 химические элементы обозначаются следующими буквами: А - азот, В - вольфрам, Д - медь, М - молибден, Р - бор, Т - титан, Ю - алюминий, X - хром, Б - ниобий, Г - - марганец, Е - селен, Н - никель, С - кремний, Ф - ванадий, К - кобальт, Ц - цирконий. Цифры, стоящие в наименовании марки после букв, указывают, так же как и в наименовании марок конструкционных сталей, процентное содержание легирующего элемента в целых единицах. Содержание элемента, присутствующего в стали в малых количествах, цифрами не обозначается. Цифра перед буквенным обозначением указывает на среднее или при отсутствии нижнего предела на максимальное содержание углерода в стали в сотых долях процента.  

После этого в поглотители Реберга вносят (подтоком очищенного кислорода) по 1 50мл 0 02 jV раствора Ва (ОН) 2 и пропускают воздух еще в течение 15 мин и под током воздуха оттитровывают раствор барита 0 01 N раствором соляной кислоты. Отсутствие разницы между расходом этой кислоты в данном титровании и отдельно установленным соотношением между баритом и соляной кислотой указывает на чистоту установки; в противном случае необходимо продолжать очистку прибора. После окончания такой очистки под током кислорода при скорости 5 мл / мин в сухие поглотители Реберга вносят по 2 00 - 2 50 мл 0 02 N. Оптимальный объем воды для анализа определяется содержанием в ней суммарного углерода: исходя из ниже приведенного соотношения между 1 мл 0 01 N раствора НС1 и углеродом, крайние пределы содержания суммарного углерода в пробе воды составляют от 10 до 200 мкг С. При правильном проведении анализа даже при максимальном содержании углерода титр барита в третьем поглотителе изменяется мало.  

С помощью рис. 25.6 посмотрим, что происходит при охлаждении расплавов различного состава ниже эвтектической температуры 1130 С. Сплав, состав которого определяется на диаграмме точкой 1, при охлаждении затвердевает в эвтектической точке Е, образуя смесь цементита Fe3C и аустенита; последний представляет собой твердый раствор углерода в железе. Описанная смесь называется ледебуритом. Расплав, состав которого отвечает точке 2, при отвердевании образует кристаллы аустенита, а остающийся расплав обогащается углеродом до тех пор, пока не будет достигнута эвтектическая точка. После этого получается твердая фаза, содержащая аустенит и ледебурит. Таким образом, расплавы состава 1 и 2 в итоге дают смеси одинаковых твердых веществ, аустенита и цементита, но в различных пропорциях. Эта величина характеризует максимальное содержание углерода в его твердом растворе с железом, а также определяет верхний предел содержания углерода в обычных углеродистых сплавах. При наличии большего количества углерода сплавы железа называются чугуном. При охлаждении расплава с составом 3 сначала образуются аустенитные кристаллы, более бедные углеродом, чем расплав; расплав же, наоборот, обогащается углеродом. При охлаждении до температуры, соответствующей точке на кривой солидуса, которая отвечает составу исходного расплава, он кристаллизуется с образованием аустенита.  

В течение последних лет было выполнено достаточное количество работ по изучению фазовых диаграмм и процессов испарения высокоогнеупорных псевдометаллических карбидов элементов IV и V групп, на основе которых можно представить общий характер поведения этих материалов. Эти соединения (а также аналогичные нитриды, тройные и четвертные карбидонитриды, окси-карбиды и оксикарбонитриды) имеют очень высокую энергию связи. На основании электропроводности и магнитных свойств этих соединений установлено, что связи в них имеют металлический характер во всей кристаллической решетке. Составы образующихся фаз не определяются валентностями, как это имеет место в случае ионных соединений переходных металлов или в случае соединений типа адамантина, в которых преобладают ст-связи. В карбидах при высоких температурах обычно присутствуют три нестехиометрические фазы. Металл (а-фаза) при высоких температурах присоединяет 5 - 10 ат. Следующая фаза имеет идеальную гексагональную решетку с химической формулой МаС, а отклонения от стехиометрического состава при температурах значительно ниже эвтектической, по-видимому, очень незначительны. При приближении к эвтектической температуре минимальная концентрация углерода в фазе М2С быстро уменьшается, а максимальная концентрация углерода увеличивается лишь незначительно. В любом случае при очень высокой температуре фаза М2С неустойчива и изменяется по перитектической реакции с образованием расплава и у-фазы типа NaCl с большими отклонениями от стехиометрического состава. Фаза имеет широкий диапазон составов. Однако представляется, что во всех изученных системах максимальное содержание углерода в карбиде, находящемся в равновесии с графитом, остается меньше стехиометрического. Результаты, полученные различными исследователями, иногда не согласуются, а интерпретация результатов затрудняется легкостью внедрения в эти фазы кислорода и азота, а также сложностью определения малых примесей.  

Страницы:      1    2    3    4

Содержит небольшое количество марганца (Mn), кремния (Si), серы (S) и фосфора (Р).

Стали подразделяют:

• по назначению - на конструкционные и инструментальные;
• по способу производства - на мартеновские, выплавляемые в мартеновских печах; бессемеровские, получаемые в конвертерах, имеющих футеровку из кислых материалов; томасовские, получаемые в конвертерах с футеровкой из основных материалов, и электросталь, выплавляемую в дуговых или индукционных высокочастотных печах;
• по химическому составу - на углеродистые и легированные.

Легированные стали кроме углерода содержат повышенное количество марганца (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo), вольфрам (W), ванадий (V) и других элементов, которые придают этим сталям особые свойства, например, повышенную прочность и твердость, коррозионную стойкость.

Для изготовления сварных конструкций большое распространение получила углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая по ГОСТ 380. Углеродистая обыкновенного качества сталь в зависимости от назначения подразделяется на три группы:

• группа А - поставляемая по механическим свойствам;
• группа Б - поставляемая по химическому составу;
• группа В - поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей:

• стали группы А подразделяют на три категории - Al, А2, A3;
• стали группы Б - на две категории - В1 и Б2;
• стали группы В - на шесть категорий - Bl, В2, ВЗ, В4, В5, В6.

Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б - марки БСт0, БСт1, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способами. Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. Буквы Б и В перед обозначением марки указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается. Если сталь относится к кипящей, ставится индекс "кп", если к полуспокойной - "пс" и спокойной - "сп".

По видам проката сталь бывает листовая, широкополосная, сортовая (полосовая, круглая и др.), фасонная (швеллер, уголок, двутавр). Арматурная сталь в зависимости от технологии изготовления подразделяется на стержневую и проволочную арматуру, а в зависимости от профиля - на гладкую и периодического профиля. Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций.

Качественные стали по ГОСТ 1050-88 маркируют двухзначными цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т. д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10, 0,15, 0,20% углерода.

Сталь по ГОСТ 1050-88 изготовляют двух групп:

• группа I-с нормальным содержанием Мn (0,25-0,80%);
• группа II-с повышенным содержанием Мn (0,70-1,2%). При повышенном содержании марганца (Мn) в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание Мn.

Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются легирующими. Легированные стали подразделяют в зависимости от содержания легирующих элементов на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%). Легированные стали маркируют цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой входит в состав стали, а стоящие за ней цифры - среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Влияние основных элементов на свойства углеродистых сталей

• низкоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% С;
• среднеуглеродистые - от 0,25 до 0,6% С и
• высокоуглеродистые - свыше 0,6% С.

С увеличением содержания углерода повышается предел прочности стали, твердость и хрупкость при одновременном уменьшении относительного удлинения и ударной вязкости. Содержание углерода в обычных конструкционных сталях в пределах до 0,25% не ухудшает свариваемости стали. При более высоком содержании углерода стали ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Повышение содержания углерода в присадочном металле вызывает пористость шва.

Марганец содержится в стали в пределах 0,3- 0,8%, в указанных пределах марганец (Мn) не затрудняет процесс сварки. При сварке среднемарганцовистых сталей с содержанием 1,8-2,5% Мn возникает опасность появления в связи с тем, что марганец (Мn) способствует закаливаемости стали.

Кремний содержится в низко- и среднеуглеродистой стали в пределах 0,02-0,35%, в указанных пределах он не вызывает затруднений при сварке. При содержании кремния (Si) в специальных сталях от 0,8 до 1,5% затрудняется из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния (Si).

Сера является вредной примесью в стали. Она образует с железом химическое , называемое сернистым железом. Сталь с примесью S дает в нагретом состоянии, т. е. становится красноломкой. Содержание S в стали не должно превышать 0,055%. Свариваемость стали с повышением содержания S резко ухудшается.

Фосфор также является вредной примесью в стали. Содержание Р в стали не должно превышать 0,05%, он образует с железом химическое соединение - фосфористое железо. Фосфор увеличивает твердость и хрупкость стали, вызывает хладноломкость, т. е. появление трещин в холодном состоянии.

Ванадий в легированных сталях содержится в пределах 0,2-0,8%. Он способствует закаливаемости стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки V активно окисляется и выгорает.

Вольфрам в легированных сталях содержится в пределах от 0,8 до 18%. W увеличивает твердость стали и затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.

Никель в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах 0,2-0,3%, в конструкционных - от 1 до 5% и легированных - от 8 до 35%. В стали никель (Ni) увеличивает пластические и прочностные свойства, свариваемости не ухудшает.

Молибден ограничивается содержанием в стали от 0,15 до 0,8%. При сварке молибден (Мо) способствует образованию трещин, активно окисляется и выгорает.

Хром в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах до 0,3% конструкционных - 0,7-3,5%, легированных хромистых сталях - 12-18% и хромоникелевых - 9-35%. Сr затрудняет сварку, так как в процессе сварки образует тугоплавкие хрома.

Титан и ниобий в высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях при сварке соединяются с С, препятствуя образованию карбидов хрома. Этим титан (Ti) и ниобий (Nb) улучшают свариваемость.

Медь в сталях содержится в пределах 0,3-0,8%; Си улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства и коррозионную стойкость стали.

Кислород содержится в сталях в виде оксида железа, который растворяется в чистом расплавленном железе в количестве до 0,5, что соответствует содержанию 0,22% О 2 . Растворимость оксида железа в стали уменьшается с повышением содержания С. ухудшает свариваемость стали, снижает ее прочностные и пластические свойства.

Азот растворяется в расплавленном металле, попадая в сварочную ванну из окружающего воздуха. При охлаждении сварочной ванны N 2 образует химические соединения с железом (нитриды), которые повышают прочность и твердость и значительно снижают стали.

Водород - вредная примесь в стали, скапливается в отдельных местах сварочного шва, при сварке вызывает появление и мелких трещин.

Для дальнейшего рассмотрения структурных превращений при медленном охлаждении необходимо все стали разделить на две группы:

Стали первой группы применяются в основном как стали конструкционные, а стали второй группы - как стали инструментальные.

В сталях с содержанием углерода менее 0,8% линии GS и PSK определяют температуры начала и конца перекристаллизации (вторичная кристаллизация) аустенита в феррит.

Перекристаллизация

Перекристаллизация вызывается аллотропическим превращением Fe γ → Fe α .

В чистом железе это превращение проходит при постоянной температуре (910°), в то время как в сталях оно проходит в интервале температур, так как для стали с содержанием С = 0,2% процесс перекристаллизации начнется при температуре 850° и закончится при температуре 723°.

Структурные превращения при охлаждении стали

Однако при охлаждении стали в интервале температур 850-723° не весь аустенит превратится в феррит. Часть аустенита останется. Этот аустенит при температуре 723° превратится в перлит.

В результате этих двух превращений в интервале температур, определяемых линиями GS и PSK, структура сталей с содержанием С < 0,8% при комнатной температуре будет состоять из феррита + перлита.

Количественное соотношение между ферритом и перлитом определится процентом углерода в стали. Чем больше углерода б стали, тем больше в ней перлита, и сталь будет более твердая, прочная, но менее пластичная.

В сталях с содержанием С>0,8% линии SE и PSK определяют температуры начала и конца кристаллизации цементита из аустенита (вторичная кристаллизация).

Это превращение вызывается уменьшением растворимости углерода в аустените при охлаждении.

При температуре 1130° в аустените может раствориться 2% углерода, а при 723° только 0,8%. Поэтому если в стали углерода 1%, то при охлаждении начиная с температуры 820° из аустенита будет выделяться избыток углерода в форме цементита до тех пор, пока в аустените не останется 0,8% углерода.

При температуре 723° этот аустенит превратится в перлит.

В результате этих двух превращений в интервале температур, определяемых линиями ES и PSK и при температуре 723°, структура сталей с содержанием С>0,8% при комнатной температуре будет состоять из цементита + перлита.

Количественное соотношение между цементитом и перлитом также будет определяться количеством углерода в стали. Чем больше в стали углерода, тем больше в ней цементита и сталь будет более твердая, но и более хрупкая.

В сталях с содержанием С=0,8% превращение аустенита при медленном охлаждении начнется и закончится при температуре 723°. Структура этой стали при комнатной температуре будет перлит .

Температуры линииPSK, если речь идет о нагреве, обозначаютA C1 .

Температуры линийGS иSE обозначают соответственно А Сз или А Ст.