Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Политехнический институт ТулГУ

Кафедра «Сварка, литье и технология конструкционных материалов»

Методические указания к лабораторной работе № 11

Разливка стали. Кристаллизация и строение стальных слитков.

Классификация, маркировка и области

применения конструкционных углеродистых сталей.

Автоматные и легированные стали

по дисциплине

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Направление подготовки: 160100 Системы управления движением и навигации

Профили подготовки:

Системы управления летательными аппаратами

Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации

Направление подготовки: 161700 Баллистика и гидроаэродинамика

Профиль подготовки: Баллистика

Направление подготовки: 221700 Стандартизация и метрология

Профиль подготовки: Метрология и метрологическое обеспечение

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения - очная

Тула 2010 г.

Методические указания к лабораторной работе составлены профессором А.С. Рыбаковым и обсуждены на заседании кафедры СЛ и ТКМ механико-технологического факультета

протокол № от 2012 г.

Зав. кафедрой СЛ и ТКМ А.А. Протопопов

Методические указания к лабораторной работе пересмотрены и утверждены на заседании кафедры СЛ и ТКМ механико-технологического факультета

протокол № от « » 20 г.

Зав. кафедрой СЛ и ТКМ А.А. Протопопов

1. Цель и задачи работы

Изучение способов разливки стали, кристаллизации и строения слитков. Классификация, маркировка и области применения конструкционных углеродистых сталей. Автоматные и легированные стали

2. Теоретические сведения

Разливка стали в изложницы и непрерывным литьем

Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, и получаются слитки, которые подвергают прокатке, ковке.

Изложницы - чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

Слитки квадратного сечения переделывают на сортовой прокат (двутавровые балки, швеллеры, уголки и т. д.). Слитки прямоугольного сечения с отношением ширины к толщине 1,5…3 переделывают на лист. Из слитков круглого сечения изготовляют трубы, колеса. Многогранные слитки используют для поковок. Для прокатки отливают слитки массой 200 кг - 25 т; для поковок отливают слитки массой до 300 т и более. Обычно углеродистые спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25 т, легированные и высококачественные стали - в слитки массой 500 кг - 7т, а некоторые сорта высоколегированных сталей - в слитки массой несколько килограммов.

Сталь разливают в изложницы сверху, сифоном (снизу) и на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В изложницы сверху (рис. 1,а) сталь разливают непосредственно из ковша 1. При сифонной разливке (рис. 1,б) сталью заполняют одновременно несколько изложниц (4…60). Изложницы устанавливают на поддоне 6, в центре которого располагается центровой литник 3, футерованный огнеупорными трубками 4, соединенный каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой литник и снизу плавно без разбрызгивания заполняет изложницы 5.

Поверхность слитка получается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько слитков. Для обычных углеродистых сталей используют разливку сверху, а для легированных и высококачественных - разливку сифоном.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна — кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 4 (рис. 2). Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку, образующую его дно. Жидкий металл, попадая в кристаллизатор и на затравку, охлаждается, затвердевает, образуя корку, и соединяется с затравкой.

Рис. 1. Разливка стали в изложницы: а – сверху; б - сифоном (снизу)

Затравка тянущими валками 5 вытягивается из кристаллизатора вместе с затвердевающим слитком, сердцевина которого еще жидкая. Скорость вытягивания слитка из кристаллизатора зависит от его сечения. Например, скорость вытягивания слитков с сечением 150х500 и 300х2000 мм около 1 м/мин.

Рис. 2. Схема машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)

На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунки в зоне 6 вторичного охлаждения. Затем затвердевший слиток попадает в зону 7 резки, где он разрезается газовым резаком 8 на куски заданной длины. Таким способом отливают слитки с прямоугольным поперечным сечением (1505003002000 мм), с квадратным сечением (150150400400 мм), круглые, в виде толстостенных труб. Вследствие направленного затвердевания и непрерывного питания при усадке слитки непрерывной разливки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, в них отсутствуют усадочные раковины. Выход годных заготовок может достигать 96…98 % массы разливаемой стали.

Кристаллизация и строение стальных слитков

Залитая в изложницу сталь отдает теплоту ее стенкам, поэтому затвердевание стали начинается у стенок изложницы. Толщина закристаллизовавшейся корки непрерывно увеличивается, при этом между жидкой сердцевиной слитка и твердой коркой металла располагается зона, в которой одновременно имеются растущие кристаллы и жидкий металл между ними. Кристаллизация слитка заканчивается вблизи его продольной оси. Сталь затвердевает в виде кристаллов древовидной формы - дендритов. Размеры и форма дендритов зависят от условий кристаллизации. На строение стального слитка большое влияние оказывает степень раскисленности стали.

Рис. 3. Схема строения стальных слитков

Спокойная сталь (рис. 3,а, г) затвердевает без выделения газов, в верхней части слитка образуется усадочная раковина 1, а в средней - усадочная осевая рыхлость.

Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали отливают с прибылью, которая образуется надставкой со стенками, футерованными огнеупорной массой малой теплопроводности. Поэтому сталь в прибыли долгое время остается жидкой и питает слиток, а усадочная раковина располагается в прибыли. Слиток спокойной стали (рис. 3,а) имеет следующее строение: тонкую наружную корку А из мелких равноосных кристаллов; зону Б крупных столбчатых кристаллов (дендритов); зону В крупных неориентированных кристаллов; конус осаждения Г- мелкокристаллическую зону у донной части слитка. Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Химическая неоднородность, или ликвация, возникает вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого состояния в твердое. Ликвация бывает двух видов - дендритная и зональная.

Дендритная ликвация - неоднородность стали в пределах одного кристалла (дендрита) - центральной оси и ветвей. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах дендрита по сравнению с содержанием в центре увеличивается в 2 раза, фосфора - в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти на половину.

Зональная ликвация - неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз (рис. 3,е), а в нижней части - уменьшается. Зональная ликвация приводит к отбраковке металла вследствие отклонения его свойств от заданных. Поэтому прибыльную и надприбыльную части слитка, а также донную его часть при прокатке отрезают.

В слитках кипящей стали (рис. 3,б, д) не образуется усадочная раковина; усадка стали рассредоточена по полостям газовых пузырей, возникающих при кипении стали в изложнице. При прокатке слитка газовые пузыри завариваются. Кипение стали влияет на зональную ликвацию в слитках, которая развита в них больше, чем в слитках спокойной стали. Углерод, сера и фосфор потоком металла выносятся в верхнюю часть слитка, от чего свойства стали в этой части слитка ухудшаются. Поэтому при прокатке отрезают только верхнюю часть слитка, так как в донной ликвация мала. Для уменьшения ликвации кипение после заполнения изложницы прекращают, накрывая слиток металлической крышкой (“механическое закупоривание”), либо раскисляют металл алюминием или ферросилицием в верхней части слитка (“химическое закупоривание”).

Слиток кипящей стали имеет следующее строение (рис. 3,б, д) плотную наружную корку А без пузырей, из мелких кристаллитов, зону сотовых пузырей П, вытянутых к оси слитка и располагающихся между кристаллитами Б, зону В неориентированных кристаллов, промежуточную плотную зону С, зону вторичных круглых пузырей К и среднюю зону Д с отдельными пузырями, которых больше в верхней части слитка.

Полуспокойная сталь сохраняет преимущества спокойной и кипящей стали и не имеет их недостатков.

Полуспокойная сталь (рис. 3, в, е) частично раскисляется в печи и ковше, а частично - в изложнице. Слиток полуспокойной стали имеет в нижней части структуру спокойной стали, а в верхней - кипящей. Ликвация в верхней части слитков полуспокойной стали меньше, чем у кипящей, и близка к ликвации спокойной стали, но слитки полуспокойной стали не имеют усадочной раковины.

Классификация, маркировка и области применения

конструкционных углеродистых сталей

Конструкционные углеродистые стали применяются для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Чёткой границы по химическому составу между строительной и машиностроительной сталями нет.

Содержание углерода в этой группе сталей часто не превышает 0,5…0,6 %. Конструкционная сталь должна обладать высокой прочностью, пластичностью и вязкостью, имея хорошие технологические свойства.

Предусмотрено два класса углеродистых сталей: обыкновенного качества (ГОСТ 380–94) и качественные стали (ГОСТ 1050–88). В зависимости от условий раскисления стали в процессе плавки, они в свою очередь, делятся на 3 группы.

Спокойные стали (сп), получаемые полным раскислением металла Si, Mn и Al в печи, а затем в ковше.

Кипящие стали (кп), раскислены только Mn, содержат повышенное количество FeO.

Полуспокойные стали (пс) – раскислены только Mn и Si.

Стали обыкновенного качества – к этой группе относятся стали, содержащие до 0,6 % углерода. Эти стали в процессе плавки меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы. Эти стали разливают в большие слитки, вследствие чего в них значительно развита ликвация и они содержат большое количество неметаллических включений.

Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения; из них изготавливают горячекатаный сортовой, фасонный и листовой прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, трубы, а также поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Из сталей обыкновенного качества изготовляют фермы, конструкции подъемных кранов, малоответственные детали (оси, валы, шестерни, втулки, валики, болты, гайки и т. д.), не подвергающиеся термической обработке. Эти стали наиболее дешевы.

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств стали обыкновенного качества делятся на 3 группы.

В группу А входят стали, поставляемые по механическим свойствам без уточнения их химического состава. Стали этой группы обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами 1,2,3,…,7, например: Ст 3. Чем больше число, тем выше прочность ( , ) и ниже пластичность (а_н, ).

Эти стали используют в состоянии поставки без дальнейшей горячей обработки давлением или термической обработки, т.к. их химический состав, определяющий режимы обработки, может сильно колебаться.

В группу Б входят стали обыкновенного качества, поставляемые с гарантируемым химическим составом. Они обозначаются буквами М – мартеновская, К – конверторная, а далее следует буквы Ст – сталь и цифры. Чем больше цифра, тем выше содержание в стали углерода (М Ст.1, М Ст.3кп, М Ст.6, К Ст.1).

Группа В представляет стали повышенного качества, которые выплавляются в мартеновских печах и поставляются с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. В обозначение марки данной группы входит буква В (ВМ Ст. 1, ВМ Ст .2, ВМ Ст. 3 и т.д.).

Стали групп Б и В применяют в случаях, когда сталь надо подвергать горячей деформации или упрочнять термической обработкой. Сварные конструкции изготовляют главным образом из спокойных и полуспокойных сталей групп В и Б.

Стали повышенного качества (группа В) имеют главным образом специализированное назначение (мосто- и судостроение, сельхозмашиностроение и т.д.). Механические свойства стали обыкновенного качества могут быть значительно повышены термической обработкой (закалкой в воде с прокатного нагрева и др.).

Качественные машиностроительные углеродистые стали (ГОСТ 1050–88). Эти стали выплавляют в мартеновских или электропечах, кислородных конверторах и в зависимости от степени раскисления они могут быть спокойными или кипящими. К сталям этой группы предъявляются более высокие требования относительно химического состава и количества неметаллических включений.

Качественные углеродистые стали маркируются цифрами 08, 10, 15, 20,…,85. Они указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента например, сталь 08 содержит углерода 0,08 %, сталь 15…0,15 %, сталь 45…0,45 % и т.д.

Низкоуглеродистые стали 08, 08кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью ( =300…340 МПа, =190…200 МПа) и высокой пластичностью ( =55…60 %). Эти стали без термической обработки применяются для малонагруженных деталей (прокладки, шайбы, змеевики и т.д.), элементов сварных конструкций, штамповых деталей и т.д.

Штампуемость стали тем больше, чем меньше в ней углерода. Кремний снижает штампуемость, особенно способность принимать вытяжку. Поэтому для холодной штамповки, более широко применяют холоднокатаные кипящие стали 08кп, 10кп и 15кп.

Стали 15, 20, 20кп, 25 применяются без термической обработки или в нормализованном состоянии. Механические свойства этих сталей после нормализации: _В= 360…460 МПа, _0,2=200…280 МПа, =55…50 %.

Стали поступают в виде проката, поковок, труб, листов, ленты и проволоки и предназначаются для неответственных деталей. Хорошо свариваются. Эти стали применяются и для цементуемых (цианируемых) деталей, работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок, например, кулачковых валиков, рычагов, осей, втулок, малонагруженных шестерен, шпинделей, вилок и валиков переключения передач, клапанов, пальцев рессор и многих др. деталей автотракторного, сельхозмашиностроения и общего машиностроения.

Стали марок 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 применяются также в виде калиброванной холоднотянутой стали точных размеров. Использование такой стали позволяет во многих случаях устранить трудоемкие операции механической обработки (обточку на токарных станках осей, болтов и т.д.).

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 применяются после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (коленчатые и распределительные валы, шатуны, шестерни, шпиндели, фрикционные диски, штоки, траверсы, плунжеры и т.д.).

Свойства этих сталей: =500…640МПа, =300…380МПа, = 50…40%.

Стали хорошо обрабатываются резанием. После улучшения стали 40, 45, 50 имеют высокие механические свойства: _В = 600…700 МПа, _0,2 = 400…600 МПа,  = 50…40%, а_н = 4…5 кГм/см².

Стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 обладают высокой прочностью (  = 690…1150 МПа,  = 410…1000 МПа), износостойкостью и высокими упругими свойствами; применяются после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки, бандажи трамвайных вагонов и т.д.

Качественные стали (ГОСТ 1050-88) могут быть с повышенным содержанием марганца 0,7…1,0 % (15Г, 25Г, 30Г, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др.). Марганец повышает прокаливаемость стали, пределы прочности и текучести, но несколько снижает пластичность и вязкость.

Эти стали применяются в тех же случаях, что и аналогичные стали с нормальным содержанием марганца(0,25…0,7 %).

Автоматные стали

Автоматные стали обрабатываются резанием и при этом получается высокое качество поверхности. Эти отличительные свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы (0,15…0,3 %) и фосфора (0,05…0,15 %).

Сера в автоматной стали находится в виде MnS. Сульфиды марганца образуют вытянутые вдоль прокатки включения и способствуют образованию короткой и ломкой стружки. Образование ломкой стружки способствует быстрому отводу тепла от обрабатываемой поверхности и, следовательно, повышению стойкости инструмента и увеличению скорости резания.

Фосфор, повышая твердость и прочность и снижая пластичность, способствует получению гладкой блестящей поверхности при резании. Для улучшения обработки стали резанием её нередко легируют свинцом (0,15…0,3 %).

Стали маркируются буквой А - автоматная, после которой следует цифра, указывающая среднее содержание углерода в сотых долях процента – А12, А20, А30 (ГОСТ 1414–89); при повышенном содержании в стали марганца вводится буква Г-А40Г. Сталь А12 применяется для изготовления винтов, болтов, гаек и различных мелких деталей сложной конфигурации на быстроходных автоматах. Стали А20, А30, А40Г используют для изготовления деталей, работающих в условиях повышенных напряжений.

Автоматные стали по сравнению с аналогичными качественными сталями вследствие большого содержания серы, фосфора или свинца имеют меньшую пластичность и вязкость, особенно в поперечном направлении, и предел выносливости.

Для повышения прочности автоматные стали нередко подвергают холодной протяжке, в результате чего получают нагартованное состояние. Для стали А12, например, предел прочности повышается от 420…570 МПа, до 600…800 МПа.

Легированные стали

По назначению легированные стали делятся на 3 основные группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

В нашей стране для маркировки легированных сталей принята буквенно-цифровая система. Каждый элемент обозначается прописной буквой:

Марганец – Г Вольфрам – В Ниобий – Б

Кремний – С Ванадий – Ф Кобальт – К

Хром – Х Титан – Т Бор – Р

Никель – Н Алюминий – Ю Фосфор – П

Молибден – М Медь – Д Церий – Ц

Цифры, следующие за буквой, указывают примерное содержание легирующих элементов. Если углерода около одного процента, то цифра не ставится. Например, Х12Ф.

Двузначное число в начале марки обозначает содержание углерода в сотых долях процента, однозначное число в начале марки - содержание углерода в десятых долях процента. Если в высоколегированных сталях менее 0,08 % углерода, то в начале марки ставится цифра 0. Если содержание углерода в сталях верхний предел 0,09 % и более, а нижний предел не ограничен, то цифр перед маркой не ставят в обозначениях многих инструментальных сталей так, например, аустенитная сталь Х18Н12Т содержит до 0,09 % углерода, 18 % хрома, 12 % никеля и менее 1 % титана. Сталь 0Х18Н12Т – углерода менее 0,08%, а сталь Х12Ф – около 1 %. По ГОСТ 4543–71 все легированные стали классифицируют на качественные и высококачественные в зависимости от допустимого содержания серы, фосфора, меди и никеля. В конец марки высококачественной стали ставят букву А, например 38ХМ10А. Эта система классификации позволяет по марке стали судить о её составе и свойствах.

Некоторые подгруппы сталей по стандарту имеют особую маркировку. Марки электротехнических тонколистовых кремнистых сталей начинаются с буквы ‘Э’, следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней кремния (например, сталь Э42). Марки быстрорежущих сталей начинаются с буквы ‘Р’ (Р9, Р18), а цифра после буквы указывают на процентное содержание вольфрама, шарикоподшипниковых – с буквы ‘Ш’ (ШХ8), а цифра после буквы указывает на содержание хрома в десятых долях процента. В конце марки особо высококачественной стали электрошлакового переплава стоит буква ‘Ш’. Стали для постоянных магнитов начинаются с буквы Е, например ЕХ3.

Машиностроительные стали с малым содержанием углерода относят к цементуемым, со средним и высоким содержанием – к улучшаемым.

Цементуемые легированные стали обычно содержат до 0,25…0,30 % углерода. Все цементуемые стали – низколегированные. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, не содержат дефицитных легирующих примесей, дешевы. Для повышения поверхностной твердости и прочности эти стали подвергаются химико-термической обработке (цементации) с последующей закалкой и отпуском.

Строительные стали – это углеродистые и некоторые низколегированные стали с небольшим содержанием углерода, изменяющегося в пределах 0,05…0,75 %.

Указания по оформлению отчета

Отчет по работе должен содержать: цель и задачи работы, характеристику способов разливки стали, кристаллизацию и строение слитков. Классификацию, маркировку и области применения конструкционных углеродистых сталей, автоматных и легированных сталей.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите, какие способы разливки стали наиболее распространены ?

2. Охарактеризуйте сущность способа разливки стали в изложницы.

3. Охарактеризуйте способ разливки стали непрерывным литьем.

3. Охарактеризуйте процесс кристаллизации стали и строения слитков?

4. Какие огнеупорные материалы используются в производстве стали в кислородных конверторах и электропечах?

5. Как классифицируются, маркируются и где находят применение конструкционные углеродистые стали?

6. С какой целью производят автоматные стали?

7. Охарактеризуйте классификацию, маркировку и область применения легированных сталей?