4. Сталь.

Сталь – сплав железа с углеродом, который содержит менее 2% углерода. В диапазоне от нуля до двух процентов повышение углерода прочность стали увеличивает, но при этом одновременно ухудшаются её пластические свойства и растёт хрупкость. Постоянными примесями при варке стали являются марганец, кремний, фосфор и сера. Сера и фосфор – вредные примеси. Сера уменьшает способность к ковке и свариваемости, делает сталь ломкой при нагреве (красноломкость). Фосфор придаёт стали хрупкость в холодном состоянии (хладноломкость).

Сталь получают из чугуна, удаляя (выжигая) из него избыток углерода. В процессе получения стали, для придания ей новых свойств, в неё добавляют ферросплавы, которые содержат другие металлы, которые и придают конечному продукту желаемые свойства. Этот процесс носит названия легирование, а полученные стали называются легированными.

Основными способами получения стали являются: мартеновский, кислородно-конверторный, электросталеплавильный.

Мартеновский процесс варка стали проходит несколько часов, и позволяет получить металл более высокого качества, чем в конверторе. В процессе выплавки стали этим способом, в значительном количестве используется вторичный металл: стальной лом, стружку, скрап литейного производства и т.п.

Конверторный способ заключается в том, что чугун продувают воздухом с добавкой кислорода, который выжигает находящийся в нём углерод. Сгорающий углерод служит топливом и поддерживает высокую температуру расплава. Процесс плавки занимает 20-40 минут. За это время, в зависимости от садки конвертора, выплавляется 100-400 тонн стали. Недостаток конвертерного способа - повышенное содержание кислорода в стали, что ухудшает её механические свойства. Кроме этого, конвертерное производство не решает проблему утилизации скрапа.

Производство стали в электропечах на сегодняшнее время наиболее совершенный способ. Источником тепла в электропечах служит электрическая дуга, между графитовыми электродами, В электропечах из-за высокой температуры, по сравнению с другими процессами, возможно производство любых марок стали с заданным содержанием легирующих элементов, включая и тугоплавкие.

Стали классифицируются по: химсоставу; структуре; назначению; качеству; способу раскисления.

По хим.составу стали подразделяются на:

- углеродистые,

- легированные.

Углеродистые делятся на: низкоуглеродистые до 0,2 % С; среднеуглеродистые 0,2 – 0,45 % С ; высокоуглеродистые более 0,5 % С.

Легированные делятся на: низколегированные сумма легирующих элементов до 2,5 %; среднелегированные – 2,5 - 10 % ; высоколегированные – более 10 %..При определении степени легирования углерод в расчёт не принимают, а марганец и кремний1 считаются легирующими добавками при их содержании более 1 и 0,8 % соответственно.

При индексации марок сталей используют следующие обозначения химических элементов: Г – марганец, М – молибден, Д – медь, Р – бор, С – кремний, В – вольфрам, Ю – алюминий, П - фосфор, Н – никель, Ф – ванадий, Б – ниобий, А – азот, Х – хром, Т - титан, К – кобальт, Ц – цирконий.

Первые цифры в марке указывают на содержание углерода в сотых долях процента. Если в начале маркировки пере буквами стоит одна цифра, то она выражает содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода свыше 1% цифру перед буквами не ставят. Если содержание элемента до 1,5%, то цифра не ставится. В отдельных случаях указывается точное содержание легирующих добавок. Например, сталь 32Х06Л - 0,32 % углерода и 0,6 % хрома, Л- сталь литая.

Для обозначения высококачественной легированной стали в конце маркировки добавляют букву «А».Высококачественная содержит меньше серы и фосфора, чем качественная.

Некоторые стали специального назначения выделяют в группу со своей маркировкой: Ж – хромистые нержавеющие; Я – хромоникелевая нержавеющая сталь; Р – быстрорежущая ; Ш – шарикоподшипниковая; Е – электротехническая сталь.

По назначению стали делятся на три группы: конструкционные, инструментальные и специального назначения.

Конструкционные предназначены для создания деталей машин и элементов строительных конструкций и делятся на : обыкновенного качества; улучшаемые, цементируемые; автоматные; высокопрочные, рессорно-пружинные.

Инструментальные используются при создании режущего инструмента, измерительного инструмента; прессово-штамповой оснастки.

Стали специального назначения с особыми физическими и механическими свойствами: нержавеющие; жаростойкие; жаропрочные; износостойкие и др.

По качеству стали классифицируются на:

обыкновенного качества, содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р;

качественные – 0,035% серы и 0,025% фосфора;

высококачественные – не более 0,025% серы и 0,025% фосфора;

особо высококачественные – не более 0,015% серы и ,025% фосфора.

По степени раскисления стали квалифицируются на: спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп).

Спокойные раскисляют, т.е. удаляют кислород из жидкой стали, марганцем, алюминием и кремнием в плавильной печи и в ковше. Они затвердевают без газовыделения , спокойно, с образованием в верхней части слитка усадочной раковины. У стали такого типа пластические свойства в поперечном направлении по сечению слитка значительно ниже, чем в

продольном.

Кипящие стали раскисляют только марганцем, что недостаточно. Перед разливкой избыток кислорода в стали реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей. Эти стали выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния ( менее 0,07 %). При прокатке газовые пузыри, заполненные окись углерода завариваются. Сталь пластична в холодном состоянии.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между СП и КП. Частично их раскисляют в плавильной печи и в ковше, окончательно- в изложницах за счёт содержащегося в металле углерода.

Углеродистые стали.

Достоинства. Удовлетворительные механические свойства в сочетании с технологичностью обработки.

Недостатки. Высокая критическая скорость закалки, небольшая прокаливаемость ( до 15 мм).

Выпускают углеродистые стали трёх групп: обыкновенного качества; качественную (общего назначения); специального назначения (автоматную, котельную и др.).

Углеродистые стали, обыкновенного качества содержат много вредных примесей. Они маркируются буквами «Ст.» и подразделяются на три группы – А, Б, В. Обозначение группы А не указывается. По нормируемым показателям делятся на шесть категорий. В конце номера стали ставят индексы кп, сп или пс, которые показывают вид раскисления.

Если в стали повышенное содержание марганца, то между номером марки стали и индексом ставят букву «Г» (Ст.4Гпс). Категорию стали ( по требованиям к нормируемым показателям химического состава и механических свойств) обозначают цифрой правее индекса степени раскисления. Например Ст.5Гпс3 означает: сталь группы А, марки Ст.5 с повышенным содержанием марганца (до 1%), полуспокойная третьей категории. Сталь первой категории пишется без указания номера, например, Ст4пс.

Стали группы А только с гарантированными механическими свойствами. Химический состав не регламентируется.

Стали группы Б только с гарантированным химическим составом. Такая группа используется с применением горячей обработки (штамповка, ковка).

Стали группы В имеют гарантированные механические свойства и химический состав. Применяют при производстве сварных и других конструкций.

Углеродистые качественные стали имеют меньше примесей и гарантию по химическому составу и механическим свойствам. Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Пример: для штамповки Ст 08кп, Ст 10кп; для сварных конструкций, труб средней прочности Ст 08пс, Ст 10 пс, Для малонагруженных зубчатых колёс, осей сталь 10, сталь 20, сталь 25. Для спокойной стали индекс не ставится.

Стали углеродистые специального назначения обладают высокими технологическими характеристиками (обрабатываемостью резанием, хорошей свариваемостью и др.) Примеры: автоматная сталь с повышенным содержанием серы и фосфора для станков автоматов, обеспечивает хорошее качество обработки детали и мелкодроблёную стружку. До 70 годов прошлого столетия было 4 марки автоматной стали, которые и сейчас обозначаются буквой «А»: А12, А20, А30, А40Г. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций. Они имели низкие прочностные показатели, поэтому появились автоматные углеродистые и легированные стали с повышенным содержанием свинца и селена взамен серы и фосфора. Автоматные стали легируются хромом, никелем, молибденом. Гостом ГОСТ1414-75 устанавливает 20 марок автоматной стали.

Котельная сталь применяется для деталей работающих под давлением (котлы, топки, камеры газовых турбин). Работает сталь при переменных давлениях и при температуре до 450 , хорошо сваривается. Такую сталь легируют титаном. Марки этой стали 12К, 18К,20К. Содержание углерода от 0,08 до 0,28 %.

Легированные стали.

Могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают сталям особые свойства. Среди многообразия легированных сталей отметим:

Строительные низколегированные стали с содержанием марганца Г1- 0,4 – 0,7% ; Г2 – 1,2 – 1,6 % и кремния 0,6 – 1.2 % . Марганец считается легирующим элементом при содержании более 1%, а кремния – более 0,8 %.

Если в сталь введён один легирующий элемент, то такую сталь называют тройной, т.к. она содержит железо, углерод и легирующий элемент (постоянные примеси не считаются). Из тройных легированных сталей применение находят хромовая, марганцевая и кремнистая.

Оптимальные сочетания технических свойств стали достигается введением нескольких легирующих элементов, например, 10Г2С1Д.

По суммарному содержанию легирующих элементов стали делятся на низколегированные, если суммарное содержание легирующих элемент о не превышает 2,5%; среднелегированные от 2.5 до 10% и высоколегированные, с добавками легирующих элементов более 10%.

Легированные стали подразделяются на качественную (когда содержание серы и фосфора не более 0,035 % каждого), высококачественную ( не более 0,025% каждого) и особовысококачественную ( не более 0,015% серы и 0,025 % фосфора). Такие стали получают при рафинирующих переплавах. Для обозначения высококачественной стали в конце её маркировки ставят букву А. Для обозначения особовысококачественной стали в конце маркировки ставят букву Ш - через дефис.

Машиностроительные цементируемые легированные стали содержат 0,1-0,3% углерода и 0,2-4,4 % легирующих элементов. Применяются для изготовления нагруженных деталей, испытывающих знакопеременные и ударные нагрузки. Пример 15ХФ, 15Х,120Х. Работают при средних нагрузках. Среднепрочные ≤ 700 МПа , повышенной прочности ≥700 МПа. К повышенной прочности относятся 12ХН3А , 20ХН4А, которые работают в условиях повышенного износа и нагрузок.

Машиностроительные

Улучшаемые легированные стали характеризуются содержанием углерода 0,3-0,5 % и легирующих элементов не более 5 %. Основное назначение – изготовление ответственных деталей машин, эксплуатируемых при воздействии циклических и ударных нагрузок. Хромистые стали 30Х,40Х,50Х применяются для изготовления средненагруженных деталей машин. Хромокремнемарганцевые стали (хромансили) 30ХГСА,35ХГСА отличаются хорошим сочетанием механических и технологических свойств. Хорошо свариваются и штампуются. Мартенситостареющие высокопрочные стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали и теплоустойчивые до 500-700С. Эти стали хорошо свариваются, легко обрабатываются давлением, резанием даже в закалённом состоянии

Стали этой группы Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т.

Пружинные стали: Кремнистые 50С2, 55С2, 60С2. Стали 60С2ХА, 60С2ФА - применяют для высоконагруженных рессор и пружин. Стали марок 70С3А, 60С2ХА, 60С2Н2А обладают наиболее высокими механическими свойствами, но боятся поверхностных дефектов, которые резко снижают их долговечность. Для этого используют поверхностное упрочнение через наклёп.

Износостойкие конструкционные стали, например, шарикоподшипниковые стали относятся к классу инструментальных. Содержание в них углерода около 1%. Для увеличения прокаливаемости вводят легирующие элементы, содержание которых зависит от размера деталей. Сталь ШХ6 применяют для деталей до 10мм, сталь ШХ15ГС – для изделий более 30мм, крупногабаритные детали изготавливают из стали 20Х2Н44.Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионностойкую высокоуглеродистую сталь 95Х18.

Высокомарганцовистая сталь Г13Л (сталь Гатфильда). Детали из неё получают ковкой или литьём. Используется для дробильного оборудования, деталей экскаваторов, гусеничных траков.

Графитизированная сталь применяется в условиях трения скольжения. Её получают из высокоуглеродистой стали (1,5-2 %) с повышенным содержанием кремния, который способствует графитизации, графит выступает как смазка.

Коррозионностойкие стали подразделяются на: хромистые и хромоникелевые. Хромистые стали 3Х13, 4Х13 используются для хирургических инструментов; Х17, Х25Т – для оборудования химических заводов, Х28 – для деталей, эксплуатируемых в высокоагрессивных средах.

Хромоникелевые стали более устойчивы к коррозии по сравнению с хромистыми. Эти стали технологичны при обработке давлением, хорошо свариваются, но имеют более низкие показатели литейных свойств и обработке резанием. Стали 04Х18Н10, 08Х18НЮ, 12Х18Н10Т используют в авиа-, судо- машиностроении.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали сопротивляются окислению при высокой температуре. Представители: 40Х9С2, 10Х13СЮ, Х8СМ, Х8С2М. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей.

Жаропрочные стали обеспечивают эксплуатацию изделий при температурах свыше 500С. Для температуры изделий 350-400С, применяют стали 15,20,30,40,45. Для условий 500 – 580С – низкоуглеродистые, легированные кобальтом, молибденом, ванадием: 16М.25ХМ. 12Х1МФ. Для высокой жаропрочности применяют аустенитные стали 4ХН14В2М и 4Х15Н7Г7Ф2МС используют для изготовления клапанов авиационных двигателей.

Инструментальные стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, а для режущего инструмента еще необходима теплостойкость.

Углеродистые стали У7, У8, У9 применяются для деревообрабатывающего и мерительного инструмента; У10,У12,У13 - используют для металлорежущего инструмента

Быстрорежущие стали имеют значительное количество карбидообразующих элементов вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. По режущим свойствам делятся на нормальной производительности (вольфрамовые Р18, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые Р6М3, Р6М5) с теплостойкостью до 620С. и повышенной производительности ( Р18Ф2, Р14Ф4, Р18К5Ф2) с теплостойкость до 640С.

Твёрдые сплавы - смесь карбидов с металлической связующей, запеченные при 1400-1550 С в среде водорода или вакуума. В зависимости от состава карбидной основы подразделяются ВК - вольфрамовые, ТК - титановольфрамовые; ТТК – титанотанталовольфрамовые. В сплавах ВК и ТТК цифры показывают содержание кобальта, в сплавах ТК – содержание карбида вольфрама в процентах. Цифры после букв Т и ТТ указывают содержание карбидов титана и суммарное содержание карбидов титана и тантала. Твердые сплавы имеют прочность при сжатии до 6000 МПа, твёрдость 74-76 НRс, теплостойкость до 1000 С.

Стали и сплавы со специальными свойствами к таким относятся: магнитные стали и сплавы, электротехническая сталь, содержащая менее 0,04 % и различный процент кремния. Применяют сплавы с высоким электрическим сопротивлением железохромалюминиевые (Х13Ю4) и никелевые (Х20Н80 – нихром). Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения содержат большое количество никеля. Сплав 36Н – инвар практически не расширятся при температурах от минус 60 до +100 С. Для соединения с термостойким стеклом применяется сплав 29НК (29% Ni , 18% Co) – ковар.

Сплавы с «эффектом памяти» заключается в свойстве пластически деформированного при повышенных температурах изделия, а затем деформированного при данной температуре до потери первоначальной форму, восстанавливать ее при повторном нагреве. Таким свойством обладают ряд сплавов с Ni-, Ti-, Cu-Zn и др. Наиболее представительным является нитинол Ti-Ni.

Некоторые стали специального назначения имеют маркировку из букв, которые ставят впереди цифр: А – автоматная, Ш – шарикоподшипниковая, З– быстрорежущая, Е – магнитотвёрдая, Э – электротехническая, Св – сварочная, Нп – наплавочная и т.д.

Основы термической обработки сталей.

Термическая обработка - это нагрев, выдержка, охлаждение металл

и сплавов с целью изменения свойств металла за счёт внутреннего строения и структуры. Термическая обработка приводит к изменению механических свойств детали таких как: прочность, твёрдость, пластичность, вязкость.

Основные виды термической обработки стали: отжиг, закалка, отпуск.

Отжиг – нагрев, выдержка и медленное охлаждение в печи. Проводится с целью снятия остаточных напряжений и устранения искажения кристаллической решётки после предшествующей обработки.

Разновидностью отжига служит нормализация, когда охлаждение производится на спокойном воздухе. Скорость охлаждения выше, чем при обычном отжиге, что определяет различие свойств отожженной и нормализованной стали. Охлаждение на воздухе, вне печи, снижает экономические затраты на термообработку. Нормализацию применяют для низкоуглеродистых сталей вместо отжига, а для среднеуглеродистых сталей вместо улучшения, которое выполняется как закалка, а затем высокий отпуск.

Закалка – нагрев детали выше температуры фазового превращения с последующим быстрым охлаждения для получения структурно неравновесного состояния. Охлаждение детали после нагрева чаще всего производится в проточной воде или машинном масле. Для закалки применяют также водные растворы солей и щелочей.

Отпуск детали проводится после закалки для снятия остаточных напряжений. Он проводится нагреванием ниже температуры фазовых превращений. Чем выше температура отпуска, тем ниже прочность и выше пластичность материала. Механические свойства стали после закалки и высокого отпуска оказываются выше по сравнению с ожженной сталью.

К отпуску деталей относится способ старения, когда после обработки деталь нагревают до температуры 120-150 и выдерживают при ней в течение 10-35 часов. Естественное старение при комнатной или окружающей атмосферной температуре продолжаются длительное время (месяцы). Старение, не снижая твёрдости закалённой стали, стабилизирует размеры деталей.

Некоторые марки легированной и углеродистой стали упрочняют термомеханической обработкой (ТМО), при которой в единую операцию совмещают пластическую деформацию и закалку. После закалки производят низкий отпуск. Сталь после ТМО имеет повышенную прочность и ударную вязкость в 1,5-2,0 раза выше, в сравнении со сталью той же марки после закалки и низкого отпуска.

В зависимости от температуры, при которой производят деформацию, различают высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханическую обработку.

ВМТО применяют для углеродистой и легированной сталей. При этом сталь нагревают до температуры выше точки А3, выдерживают для аустенизации, деформируют прокаткой или ковкой и охлаждают. Повышение прочности при ТМО определяется измельчением блоков зерен аустенита и уплотнением дислокаций.

НТМО проводят при температурах ниже рекристаллизации в области повышенной устойчивости аустенита, что возможно для легированных сталей. НТМО даёт наибольшее упрочнение, однако при температурах НТМО аустенит менее пластичен, поэтому этот процесс применяют для изделий простой формы (ленты, пруток) при небольших сечениях.