Классификация сталей

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..………………………………………………………………..3

1. Классификация  сталей…………………………………………………………………….…………………………………………….5

1.1. Классификация  сталей по химическому составу…………………….………………………………………………..5

1.1.1. Легированные  стали………………………………………………………………………………………………………………..5

1.1.1.1. Структура  легированных сталей в нормализованном  состоянии………………………………….…..5

1.1.1.2. Свойства  и применение легированных сталей……………………………………………………………………7

1.1.2. Углеродистые  стали……………………………………………………………….………………………………………………10

1.2. Классификация  сталей по качеству …………………………………………..…………………………………………….14

1.2.1.Стали  обыкновенного качества……………………………………………..………………………………………………14

1.2.2. Качественные  углеродистые стали………………………………………….……………………………………………14

1.3. Классификация  сталей по способу раскисления………………………….…………………………………………15

1.4. Классификация  сталей по назначению……………………………………………………………………………………15

1.4.1. Конструкционная  сталь………….…………………………….……………………………………………………………….15

1.4.1.1.Качество  конструкционных углеродистых сталей…………………………..…………………………………15

1.4.1.1.1.Стали  конструкционные углеродистые обыкновенного  качества….………….………………….16

1.4.1.1.2.По  степени раскисления……………………………………..……………………………………………………………16

1.4.2. Инструментальная  углеродистая сталь……………………………………….…………………………………..…..17

1.4.2.1.Классификация  инструментальных сталей…………………………….……..…………………………………..17

1.4.2.2.Применение  инструментальной углеродистой  стали………….……………………………………………17

1.5. Классификация  сталей по структуре в равновесном  состоянии……………………………………..……..18

2. Способы получения стали……………..………………………………..………………………………………………………….19

2.1. Производство  стали в конверторах………………………………………………………………….……………………..19

2.2. Производство  стали в мартеновских печах…………………………………………………………………………….21

2.3. Производство  стали в электрических печах……………………………………….…………………………………..24

2.4. Новые  методы производства и обработки  стали……………………………………………………………………26

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………..……………28

Список использованных источников………………………………………………………………….………………………….29

ВВЕДЕНИЕ

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционного материала.

Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные. К группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. К цветным относятся почти все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева. Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.

Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д.

Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.

Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна – углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительной особенностью сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.

1. Классификация сталей

1.1. Классификация сталей по химическому составу

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.

1.1.1. Легированные стали

Легированными называют стали, в которые вводятся специальные легирующие элементы, способные улучшать механические, технологические, эксплуатационные свойства, а в некоторых случаях придавать стали особые физические или химические свойства.

Легирующие элементы могут растворяться в феррите, аустените., цементите, образовывать специальные карбиды (карбиды легирующих элементов в отличии от карбида железа) или интерметаллидные соединения с железом и между собой, например, FeCr, FeV и т.д.

Растворяясь в аустените или феррите, легирующие элементы упрочняют эти фазы, делают их более устойчивыми против распада при нагреве и охлаждении, изменяя температуры фазовых превращений и структуру сталей.

1.1.1.1. Структура легированных сталей в нормализованном состоянии

Легированные стали в зависимости от структуры, получаемой после нагрева до 900°С и охлаждения на воздухе (т.е. после нормализации), подразделяются на пять классов;

1. перлитный;
2. мартенситный;
3. аустенитный;
4. ферритный;
5. карбидный,

По мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в интервале температур перлитного превращения возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается.

В зависимости от содержания легирующих элементов и углерода при заданной скорости охлаждения (на воздухе) можно получить разную структуру.

Стали перлитного класса характеризуются небольшим содержанием легирующих элементов (менее 5...7%). Для них, как и для углеродистых сталей, кривая скорости охлаждения при нормализации будет пересекать С-кривые перлитного распада. Следовательно, будут получаться структуры перлитного типа: перлит, сорбит, тростит.

Стали мартенситного класса содержат большее количество легирующих элементов (обычно 7-15 %). В присутствии никеля, даже при общем количестве легирующих элементов около 5 %, сталь может относиться к мартенситному классу. Содержание углерода в сталях мартенситного класса обычно не превышает 055 %, Область перлитного распада в этих сталях сдвинута вправо, поэтому охлаждение на воздухе приводит к переохлаждению аустенита до температур мартенситного превращения, где и происходит образование мартенсита.

Стали аустенитного класса содержат более 15 % легирующих элементов, в том числе не менее 8 % никеля или около 13 % марганца. В большинстве этих сталей содержание углерода не превышает 0,2 %. Легирующие элементы (особенно никель), растворяясь в аустените, очень сильно повышают его устойчивость. При этом не только сдвигается вправо область перлитного распада, но и точка начала мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. В результате сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохраняет аустенитную структуру.

Стали ферритного класса содержат от 17 до 30 % хрома или не менее 2,5% кремния. Это малоуглеродистые стали, в которых процент углерода не превышает 0,2. Растворяясь в феррите, хром очень сильно повышает его устойчивость. Такие стали практически не имеют фазовых превращений при нагреве вплоть до плавления, то есть сохраняют ферритную структуру во всех интервалах температур.

К сталям карбидного (ледебуритного) класса относятся высокоуглеродистые (более 0,7 % С), легированные большим количеством карбидообразующих элементов, преимущественно вольфрамом, ванадием, молибденом, хромом. Легирующие элементы образуют с углеродом большое количество специальных карбидов. Уже в процессе кристаллизации стали образуются карбиды, входящие в состав эвтектики, напоминающей ледебурит. При охлаждении на в сталях карбидного класса, подобно сталям мартенситного класса, основа структуры получается мартенситной.

1.1.1.2. Свойства и применение легированных сталей

По назначению легированные стали разделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Стали перлитного класса с различным содержанием углерода нашли широкое применение как конструкционные материалы для изготовления различных конструкций и деталей машин. Для изготовления конструкций применяют преимущественно низколегированные стали с невысоким содержанием углерода, что обеспечивает им хорошую свариваемость.

Стали предназначенные для изготовления деталей машин и приборов, разделяют в зависимости от применяемой к ним термообработки на цементуемые (содержат не более 0,25 %С) и улучшаемые (0.25... 0,5%С). Детали из цементуемых сталей подвергают цементации, закалке и низкому отпуску. В результате получается твёрдая, износостойкая поверхность (HRC 56... 62), со структурой высокоуглеродистого мартенсита и более мягкая, вязкая сердцевина (НЕС 15...45) со структурой малоуглеродистого мартенсита.

Детали из улучшаемых сталей подвергают закалке в масле и высокому отпуску. Такая термообработка называется улучшением. Закалка даёт мартенситную структуру. Мартенсит при высоком отпуске распадается на сорбит., сочетающий достаточную прочность с повышенной вязкостью. Такие детали хорошо работают в условиях динамических нагрузок.

Стали, легированные кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами и содержащие 0,5...0,65 %С, используются для изготовления пружин и рессор. Они подвергаются закалке и среднему отпуску на тростит, который обеспечивает хорошую упругость и прочность.

К перлитному классу принадлежат и шарикоподшипниковые стали. Это высокоуглеродистые стали, легированные небольшим количеством хрома (не более 1,5 %). Закалка и низкий отпуск обеспечивают им мартенситную структуру, прочность и износостойкость.

Кроме деталей машин из легированных сталей перлитного класса с высоким содержанием углерода (более 0,8 %) изготавливают режущий и мерительный инструмент. Такой инструмент подвергается неполной закалке и низкому отпуску. Приобретая высокую твёрдость и износостойкость, инструмент, однако, не обладает достаточной теплостойкостью. Некоторые марки перлитных сталей используют для изготовления инструмента для горячего деформирования. Пониженное по сравнению с другими инструментальными сталями содержание углерода (от 0,3 до 0,7%) позволяет получить достаточную вязкость, т.к. такой инструмент часто работает с ударными нагрузками.

Легирующие элементы в сталях перлитного класса не оказывают существенного влияния на структуру. В основном они способствуют увеличению прокаливаемости и тем самым дают возможность получить высокие механические свойства в деталях больших сечений.

Среди сталей мартенситного класса широкое применение находят стали, содержащие около 13 % хрома и до 0,4 % углерода. При содержании хрома более 12,5 % сталь становится коррозионностойкой. Стали этой группы хорошо сопротивляются атмосферной коррозии и коррозии в среде водяного пара, т.е. являются нержавеющими из них изготавливают различные детали машин, требующие повышенной прочности и коррозионной стойкости, а также некоторые виды инструмента. Упрочнение достигается закалкой в масле или на воздухе на структуру мартенсита. Отпуск в зависимости от назначения может быть высоким (для деталей машин) или низким (для инструмента).

Набольшее применение среди сталей аустенитного класса находят хромоникелевые стали, содержащие около 18 % хрома и 8.., 10 % никеля (углерода не более 0,2 %). Эти стали имеют более высокую коррозионную стойкость, чем хромистые стали мартенситного класса. В нормализованном состоянии эти стали имеют структуру, состоящую из аустенита и небольшого количества карбидов типа (FeCr)23C6. При нагреве под закалку (так называемая аустенизацня) карбиды растворяются в аустените, и при резком охлаждении в воде фиксируется однофазная аустенитная структура. Однофазные структуры характеризуются более высокой коррозионной стойкостью, т.к. в этом случае уменьшается вероятность образования микрогальванических пар, вызывающих электрохимическую коррозию. Закалка аустенитных сталей не является упрочняющей операцией.

Аустенитные стали используются как кислотостойкие для изготовления химической аппаратуры, а также для деталей машин и криогенного оборудования, работающего при температурах до -253 С. Стали этого класса могут использоваться и как жаростойкие, жаропрочные материалы.

Наиболее известными сталями ферритного класса являются высокохромистые стали, содержащие 17...30 % хрома и не более 0,2 % углерода. Они хорошо сопротивляются как электрохимической так и газовой коррозии при высоких температурах, т.е. являются кислотостойкими и жаростойкими (окалиностойкими). Недостатком этих сталей является низкая прочность и возникающая при перегреве (например, при сварке) крупнозернистость, которая не устраняется термической обработкой, Крупнозернистость придаёт сталям повышенную хрупкость. Используются эти стали преимущественно в отожженном состоянии.

Рассмотренные стали мартенситного, аустенитного и ферритного класса относятся с особыми свойствами.

Стали карбидного класса по назначению являются инструментальными. Они отличаются повышенной износостойкостью и теплостойкость (красностойкостью). Благодаря этому их используют для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Наилучшие режущие свойства стали приобретают после сложной термической обработки. Отожженные заготовки имеют структуру сорбитообразного перлита и карбидов. После механической обработки заготовок и придания инструменту необходимой формы он подвергается закалке и трёхкратному отпуску. Схема режимов термической обработки приведена.

С целью выравнивания температуры по всему сечению инструмента и в избежании его деформации производится подогрев до температуры около 800°С, а затем окончательный нагрев в расплавах солей до температур 1260... 1290 °С (для стали Р18). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве высоколегированного аустенита. Это обеспечивает получение после закалки в масле (или на воздухе) высоколегированного мартенсита, обладающего высокой устойчивостью против отпуска, т.е. теплостойкостью. Часть карбидов, не растворившихся при нагреве, препятствуют росту зерна аустенита.

В процессе охлаждения часть аустенита превращается в мартенсит. Кроме того в структуре сохраняются не растворенные карбиды и некоторое количество остаточного аустенита, т.к. точка Мк лежит ниже нуля градусов и мартенситное превращение не заканчивается. Остаточный аустенит понижает твёрдость и режущие свойства, поэтому его присутствие в структуре недопустимо.

После закалки следует отпуск при температуре около 560 °С, при котором происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит с выделением дополнительного количества дисперсных карбидов. Это сопровождается увеличением твёрдости. Чтобы весь остаточный аустенит превратился в мартенсит, отпуск проводят 3 раза подряд с выдержкой по одному часу. Для инструмента простой формы можно делать после закалки обработку холодом и однократный отпуск при 560°С.

Твёрдость стали после закалки составляет HRC 62...63, а после трёхкратного отпуска HRC 64...65. Высокая твёрдость сохраняется при последующих нагревах в процессе работы до температур до 600 "С, что обеспечивает теплостойкость инструмента.

1.1.2. Углеродистые  стали

Углеродистые стали — это сплавы в основном железа с углеродом, содержащие до 2% углерода. Кроме углерода, эти стали содержат до 0,8% марганца и до 0,4% кремния, остающихся после раскисления, а также вредные примеси — до 0,055% серы и до 0,045% фосфора.

Углеродистая сталь является основным материалом для изготовления деталей машин и аппаратов. Для котельных агрегатов, турбин, вспомогательного оборудования широко применяют низкруглеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода. Они очень пластичны и поэтому хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются. Эти стали можно использовать также в виде стального фасонного литья. Кроме того, они обладают вполне удовлетворительными механическими свойствами: достаточно прочны при температурах до 450° С, хорошо воспринимают динамические нагрузки.

Низкоуглеродистые стали удовлетворительно сопротивляются коррозии в условиях работы ряда деталей тепломеханического оборудования электростанций. Эти стали самые дешевые и наименее дефицитные.

Особенности производства стали и стальных полуфабрикатов оказывают существенное влияние на механические свойства и качество готовых изделий. Большинство деталей котлов и турбин изготавливают из углеродистой стали, выплавленной в основных мартеновских печах.

Продувкой в бессемеровском конвертере получают углеродистую сталь с содержанием углерода до 0,5%. Эту сталь применяют для производства сварных труб неответственного назначения, болтов, профилей, тонкой жести. При одинаковом содержании углерода бессемеровская сталь имеет более высокую прочность и твердость, чем мартеновская. Эта разница в свойствах объясняется тем, что в бессемеровской стали содержится повышенное количество растворенных азота и фосфора — элементов, упрочняющих сталь, но делающих ее одновременно и более хрупкой. Применение кислородного дутья в конвертерах значительно ослабляет этот недостаток конвертерной стали. Сталь, полученная в конвертерах с кислородным дутьем и основной футеровкой, приближается по свойствам к мартеновской.

Кроме способа выплавки, на свойства стали и готовых изделий большое влияние оказывает способ раскисления, по которому стали делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп).

По назначению углеродистые стали делят на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали в свою очередь разделяют на строительные и машиностроительные. В строительных сталях содержание углерода обычно не превышает 0,25%, т. е. эти стали относятся к категории малоуглеродистых. Они хорошо свариваются, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, но прочность их относительно невысока.

Машиностроительные малоуглеродистые стали часто применяют в качестве цементуемых, т. е. для деталей, подвергаемых поверхностному науглероживанию и закалке для повышения износостойкости, а также для изготовления крепежных деталей.

Среднеуглеродистые машиностроительные стали (0,3—0,7% углерода) прочнее строительных и могут подвергаться закалке с высоким отпуском. В результате такой термической обработки улучшаются их механические свойства. Однако эти стали хуже свариваются и плохо поддаются деформации в холодном состоянии, v Инструментальные стали содержат от 0,7 до 1,4% углерода.

Углеродистые стали классифицируют также по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, способом производства и постоянством механических свойств и химического состава. Чем меньше содержание вредных примесей, колебание механических свойств и химического состава, тем выше качество стали.

Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Углерод — элемент, в основном определяющий свойства углеродистых сталей. С увеличением содержания углерода возрастают предел прочности и твердость стали, снижаются показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение), а также ударная вязкость. При 0,8% углерода прочность стали достигает максимального значения, после чего она начинает снижаться.

Изменение прочности стали в зависимости от содержания углерода легко объяснить характером изменения микроструктуры. Незакаленная углеродистая сталь при содержании углерода менее 0,8% состоит из кристаллитов свободного феррита и перлита, при 0,8% — только из перлита и при содержании углерода более 0,8% — из перлита и свободного цементита.

Феррит (твердый раствор углерода в а-железе) — очень пластичен и вязок, но непрочен. Перлит, механическая смесь тонкодисперсных пластинок феррита и цементита, придает прочность. Цементит очень тверд, хрупок и статически прочен. При повышении в стали содержания углерода (в пределах до 0,8%) увеличивается содержание перлита и повышается прочность стали. Однако вместе с этим снижаются ее пластичность и ударная вязкость. При содержании 0,8% С (100% перлита) прочность стали достигает максимума. При дальнейшем увеличении содержания углерода избыточный свободный цементит образует оторочку вокруг перлитных зерен, что приводит к хрупкому разрушению и неко-торому снижению прочности стали.

Марганец вводят в любую сталь для раскисления (т. е. для устранения вредных включений закиси железа). Марганец растворяется в феррите и цементите, поэтому его обнаружение металлографическими методами невозможно. Он повышает прочность стали и сильно увеличивает прокаливаемость. Содержание марганца в углеродистой стали отдельных марок может достигать 0,8%.

Кремний, подобно марганцу, является раскислителем, но действует более эффективно. В кипящей стали содержание кремния не должно превышать 0,07%. Если кремния будет больше, то раскисление кремнием произойдет настолько полно, что не получится «кипения» жидкого металла за счет раскисления углеродом. В спокойной углеродистой стали содержится от 0,12 до 0,37% кремния. Весь кремний растворяется в феррите. Он сильно повышает прочность и твердость стали.

Сера — вредная примесь. В процессе выплавки стали содержание серы снижают, но полностью ее удалить не удается. В мартеновской стали обыкновенного качества содержание серы допускается до 0,055%. Присутствие серы в большом количестве приводит к образованию трещин при ковке, штамповке и прокатке в горячем состоянии, ото явление называется красноломкостью. В углеродистой стали сера взаимодействует с железом, в результате чего получается сернистое железо FeS. Сернистое железо образует с железом относительно легкоплавкую эвтектику, которая располагается по границам зерен. При температурах ковки, штамповки, прокатки в горячем состоянии эвтектика FeS—Fe находится в жидком состоянии. В процессе горячей пластической деформации по границам зерен, где располагается жидкая эвтектика, образуются горячие трещины. Если в сталь ввести достаточное количество марганца, то вредное влияние серы будет устранено, так как она будет связана в тугоплавкий сульфид марганца MnS. Включения MnS располагаются в середине зерен, а не по их границам. При горячей обработке давлением включения MnS легко деформируются без обра-зования трещин.

Фосфор, подобно сере, является вредной примесью. Растворяясь в феррите, фосфор резко снижает его пластичность, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, или иначе — вызывает хладноломкость стали. Это явление наблюдается при содержании фосфора свыше 0,1 %. Однако допустить содержание даже 0,05% Р для стали ответственного назначения уже рискованно, так как фосфор очень склонен к ликвации. Области слитка с повышенным содержанием фосфора становятся хладноломкими. В мартеновской стали обыкновенного качества допускается не более 0,045% Р.

Сера и фосфор, вызывая ломкость стали и одновременно понижая механические свойства, улучшают обрабатываемость резанием: повышается чистота обрабатываемой поверхности, увеличивается время между переточками резцов, фрез и т. д. Поэтому для ряда неответственных деталей, подвергаемых механической обработке, применяют так называемые автоматные стали с повы-шенным содержанием серы (до 0,30%) и фосфора (до 0,15%).

Кислород — вредная примесь. Закись железа, подобно сере, вызывает красноломкость стали. Очень твердые окислы алюминия, кремния и марганца резко ухудшают обрабатываемость стали резанием, быстро затупляя режущий инструмент.

В процессе выплавки углеродистой стали из металлического лома в нее могут попасть никель, хром, медь и другие элементы. Эти примеси ухудшают технологические свойства углеродистой стали (в частности, свариваемость), поэтому их содержание стараются свести к минимуму.

1.2. Классификация сталей по качеству

По качеству стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные углеродистые стали.

1.2.1.Стали  обыкновенного качества

В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В.

Группа А поставляется только по механическим свойствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки.

Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются.

Стали группы В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав - номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

1.2.2. Качественные  углеродистые стали

Качественные углеродистые стали - этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050-74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических включений и газов, макро- и микроструктуры.

Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6-0,85 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. Углеродистые стали, содержащие 0,7-1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента.