Углеродистые стали

       Содержание:

       Введение

       Наукой, устанавливающей связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающей закономерности их изменений при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях называется металловедением. Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называются черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными. Наибольшее применение нашли черные металлы.

       В конце XIX и начале XX века основными конструктивными материалами являлись металлические материалы (стали, чугуны, сплавы на основе алюминия и меди). В последние десятилетия материаловедческая наука была связана не только с совершенствованием традиционных металлических материалов, но и с созданием принципиально новых классов конструкционных материалов.

       Основной  продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90% изготавливается  углеродистой стали и только 10% легированной. Таким образом, основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь. Это связано с тем, что они обеспечивают удовлетворительное сочетание эксплуатационных свойств с хорошей технологичностью, т.е. относительно малыми затратами при обработке давлением, резанием и сварке. Кроме того, эти стали относительно дешевле.

       Таким образом, целью данной работы является изучение и краткое изложение  полученной информации о углеродистых сталях, их свойствах, способах производства и их применении в быту человека. Задачами являются поиск и изучение литературных источников по теме «Углеродистые стали», изучение графиков и таблиц.   

       Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

        Углеродистая сталь промышленного  производства – сложный по химическому  составу сплав. Кроме основы –  железа, содержание которого может колебаться в пределах 97,0 – 99,5%, в ней имеется много элементов (примесей), наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными обстоятельствами (хром, никель, медь и др.). В зависимости от способа выплавки стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей.

       Углерод же вводится в простую углеродистую сталь специально. Он сильно влияет на свойство стали даже при незначительном изменении его содержания. С увеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8% углерода, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8% углерода, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8%, то структура стали состоит из феррита и перлита. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Существенно и влияние углерода на вязкие свойства, увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т.е. при температурах выше порога хладноломкости).

       Марганец, кремний, фосфор, сера, водород, азот, кислород – постоянные примеси в том  или ином количестве присутствующие в технических сортах стали и  влияющие на ее свойства.

       Марганец  вводится в любую сталь для  раскисления, т.е. для устранения вредных  примесей закиси железа. Он также устраняет  вредные сернистые соединения железа, растворяется в феррите и цементите. Марганец повышает прочность в горячекатаных изделиях. Т.к. содержание марганца во всех сталях примерно одинаково, его влияние на сталь разного состава остается примерно постоянным.

       Кремний, как и марганец, раскисляет сталь. Он полностью растворяется в феррите, кроме той части, которая в  виде окиси кремния не успела всплыть  в шлак и осталась в металле  в виде силикатных включений.

       Руды  железа, а также топливо и флюсы  содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той  или иной степени и затем переходит  в сталь. При выплавке стали в  основных мартеновских печах из металла  удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавляемая в основной мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02–0,04%), а в электропечи менее 0,02%. Более  высокое содержание фосфора повышает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладноломкость стали. Но в отдельных случаях фосфор желателен, т.к. он облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом.

       Сера  попадает в металл из руд, а также  из печных газов – продукт горения  топлива. В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электронной печи сера удаляется из стали. Обычно содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02–0,03%. Для стали обычного качества допускают более высокое содержание серы: 0,03–0,04%. Обработкой жидкого металла синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0,005%. Сера нерастворима в железе и любое ее количество образует с железом сернистое соединение – сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующейся при 988˚C. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800˚C и выше, т.е. в районе температур красного каления. Серу считают вредной примесью в стали, но, как и фосфор, она облегчает обрабатываемость резаньем.

       Водород, азот и кислород содержатся в стали  в небольших количествах, зависящих  от способа производства. Содержания этих элементов в стали определяют, расплавляя в вакууме пробу металла  и измеряя количество газов, выделившихся из жидкого металла (Таблица № 1).

       Таблица № 1

       Если  водорода в металле много, то это  может привести к чрезвычайно  опасным внутренним надрывам в металле  – флокенам. Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла. Т.к. содержание этих газов невелико, то их влияние на многие другие свойства незаметно. Однако они сильно влияют на вязкие свойства, уменьшают ударную вязкость и резко повышают порог хладноломкости.  
 
 

       Способы производства

       В металлургии применяют различные  способы производства стали. Как  известно сталь производят (выплавляют) в различных печах. В соответствие с этим сталь подразделяют на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь. Самый прогрессивный способ получения стали – конверторный (продолжительность плавки – 30–60 мин.). Длительность мартеновской же плавки до 11 часов.

       В бессемеровском конверторе жидкий чугун  продувают воздухом, кислород воздуха соединяется с примесями в чугуне, в том числе с углеродом, и чугун превращается в сталь. Этот способ очень производителен, но при нем сера и фосфор не удаляются в достаточной степени (Таблица № 2), а металл насыщается газами, особенно азотом. Бессемеровский металл вследствие повышенного содержания газа, в первую очередь азота, отличается от мартеновской большей прочностью, но меньшей пластичностью, склонностью к старению, большей загрязненностью неметаллическими включениями.

       Кислородно-конверторный способ отличается тем, что вместо воздуха  используют технически чистый кислород с очень малым загрязнением азотом. В результате этого содержание азота  в металле будет низким. Такой  металл называется конверторным, и  по свойствам он практически не отличается от мартеновского.

       При конверторном и мартеновском способах производства подбором соответствующих шлаков и режимов ведения плавки можно удалить в значительной степени серу и частично фосфор. В зависимости от состава шлаков (основных (CaO и MgO) и кислых (SiO₂) окислов) футеровка печи должна быть или основной (магнезит или хромомагнезит) или кислой (динас), чтобы избежать реакции между футеровкой и шлаком. Если шлак имеет основную реакцию, т.е. в избытке имеются окислы CaO и MgO, то он удаляет из металла большую часть фосфора и часть серы. Значит, при сравнительно не очень чистой шихте металл в основной мартеновской печи получается достаточно чистым по сере и фосфору, хотя и более насыщенным кислородом. При кислом процессе в шлаке имеется избыток кремнистая кислота SiO₂, при наличии которой сера и фосфор из металла не удаляются, но насыщение металла кислородом происходит в меньшей степени. Поэтому для кислого мартеновского процесса требуются чистые по сере и фосфору исходные материалы, и если это обеспечено, то металл получается лучшего качества, т.к. содержит меньше кислорода.

       Удаление  из металлов серы, фосфора и кислорода  достигается в наибольшей степени  в электропечах (дуговых или индукционных). Будучи более дорогой, электросталь является и более качественной. Т.к. практически полное отсутствие газов  и связанное с этим улучшение  свойств достигаются при плавке в электрических индукционных печах  в вакууме, то стали и сплавы для  наиболее ответственных назначений производят этим способом. Установки  для вакуум-плавки очень сложны. Практически такие же результаты по содержанию газов и наличию неметаллических включений имеет сталь, выплавленная в обычных условиях, но затем помещенная в вакуум. Этот способ дешевле, чем выплавка в вакууме.

       Таблица № 2

       В зависимости от способа раскисления стали подразделят на:

• спокойную сталь (сп), раскисленную марганцем, кремнием и алюминием;
• кипящую сталь (кп), раскисленная только марганцем;
• полуспокойную сталь (пс), раскисленная марганцем и алюминием, т.е. характеризующуюся промежуточным раскислением.

       Эти стали отличаются по химическому составу:

• сп – 0,14 - 0,3% Si, ~ 0,002% О₂;
• пс – 0,05 - 0,10% Si, ~ 0,01% О₂;
• кп – <0,05% Si, ~ 0,02% О₂.

       Стали различных способов раскисления  характеризуются следующими показателями выхода годного: спокойная сталь  – 85–90%; полуспокойная сталь –  90–95%; кипящая сталь – 95–100%.

       Состав стального слитка неодинаков. В верхней и средней части слитка содержится больше примесей – серы, фосфора и углерода. Это явление носит название зональной ликвации, которая вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого состояния в твердое. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, а в нижней части – уменьшается. Поэтому металл из верхней части слитка будет отличаться от нижней, и оба они будут отличаться от средней. В кипящей стали зональная ликвация больше, чем в спокойной. Чем крупнее слиток, тем сильнее выражена зональная ликвация. Поэтому при прокатке – прибыльную, подприбыльную, и донную части слитка отрезают. 
 

       Классификация углеродистых сталей

       В зависимости от назначения стали делят на:

• конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны);
• инструментальные стали (режущий инструмент, мерительный инструмент, штампы).

       По  содержанию углерода:

• малоуглеродистые (0,025ч0,25%С);
• среднеуглеродистые (0,25ч0,6%С);
• высокоуглеродистые (> 0,6%С).

       По  качеству:

• обыкновенного качества (<0,05%S; <0,04%Р);
• качественные (<0,04%S; <0,035%Р);
• высококачественные (<0,03%S; <0,03%Р).

       Качество  сталей определяется содержанием в  них вредных примесей: серы и фосфора. Конструкционные стали изготавливают  обыкновенного качества и качественными; инструментальные стали – качественными  и высококачественными. 
 
 
 
 
 

       Стали обыкновенного качества

       Данные  стали в процессе выплавки меньше очищаются от вредных примесей и  содержат больше серы и фосфора, большое количество неметаллических включений, значительно развита ликвация. Содержание серы до 0,05%, фосфора до 0,04%.

       Маркируются: Cт0, Cт 1, Cт2, Cт3, Cт4, Cт5, Cт6.

       Все эти стали по структуре доэвтектоидные – 0,06–0,49% углерода.

       Указание  способа раскисления: Cт1кп, Cт1пс, Cт1сп, Cт3кп, Ст3пс, Cт3сп. Начиная со стали 4 выпускают только стали спокойные и полуспокойные: Cт6сп, Cт6пс.

       Каждая  марка стали выполняется в 14 вариантах, которые гарантируют определенные механические и химические свойства.

       Рассмотрим  в качестве примера сталь –  Cт3сп4. Первая цифра «3» – указывает только порядковый номер марки стали по ГОСТ 380-94, а не содержание углерода. Но с увеличением номера содержание углерода увеличивается. Чем больше содержится в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. Вторая цифра «4» (может изменяться от 1 до 5) – гарантирует определенные механические свойства и химический состав стали (категория поставки). Стали первой категории имеют гарантию по механическим свойствам, временное сопротивление, относительное удлинение. Стали второй категории имеют гарантию по механическим свойствам и химическому составу. Стали третей категории – по механическим свойствам, химическому составу и ударной вязкости при +20˚C. Стали четвертой категории – по механическим свойствам, химическому составу и ударной вязкости при -20˚C. Стали пятой категории – по механическим свойствам, химическому составу, ударной вязкости при      -20⁰С и после старения.

       В таблице № 3 указаны состав сталей и механические свойства сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

       Таблица № 3

       Области применения сталей обыкновенного качества: Ст0 – ограждения, перила, кожухи, обшивка (т.е. детали неответственные); Ст1 – детали с высокой вязкостью и низкой твердостью (анкерные (фундаментные) болты, связывающие обшивки); Ст2 – неответственные детали требующие высокой пластичности или глубокой вытяжки; Ст3 – несущие элементы сварных и не сварных конструкций или деталей; фасонные швеллеры для рамы тракторов, обода колес автомобилей, фасонные профили для сельскохозяйственного машиностроения; арматура гладкого профиля для армирования железобетонных конструкций; Ст5 – болты, гайки, тяги, трубные решетки, клинья, рычаги, упоры, штыри, стержни, пальцы; Ст6 – бабы молотов (ударная часть), шпиндели (вращающая часть на станке), ломы строительные; от Ст0 до Ст6 – балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь.

       Стали обыкновенного качества поставляются по гарантированному химическому составу  и механическим свойствам. Спокойная сталь по температуре перехода в хрупкое состояние значительно лучше, чем кипящая. 

       Качественные  конструкционные  углеродистые стали

       Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом, в мартеновских печах или  электропечах. В зависимости от раскисления  они могут быть спокойными или  кипящими. К стали этой группы предъявляются более высокие требования относительно химического состава:

• меньше содержание серы – 0,04%,
• фосфора – 0,035%;
• меньше количество неметаллических включений;
• повышенные требования к макро- и микроструктуре сплава.

       Поставляются  стали по гарантированному химическому  составу и механическим свойствам.

       Маркировка  производится цифрами по ГОСТ1050-88: 05, 08, 10, 11, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Выпускают стали в соответствии с ГОСТ 1050-88. Изготавливают горячекатаную и кованую сталь с термической обработкой (отжиг, нормализация, высокий отпуск), так и без нее. Сталь предназначается для горячей обработки давлением, механической обработки и для холодного волочения (подкат).

       В таблице № 4 указаны химический состав и механические свойства углеродистой качественной стали по ГОСТ 1050-88

     Таблица № 4

     Области применения углеродистых качественных конструкционных сталей: 05кп, 08, 08кп – детали изготавливаемые холодной штамповкой и глубокой вытяжкой (кузова, крылья автомобилей, топливные баки, змеевики, элементы сварных конструкций); 10, 15 – используют для деталей, не испытывающих высоких нагрузок: кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, болты, гайки, заклепки, муфты; 20, 25 – крепежный материал, соединительные муфты, шпиндели, толкатели клапанов, рамы и другие детали автотракторного сельскохозяйственного машиностроения; 30, 35 – слабонагруженные оси, валы различных машин и механизмов, шпиндели, шестерни, рычаги, звездочки, кольца, шатуны; 40, 45, 50 – средненагруженные оси, валы, шестерни, втулки, коленчатые валы, плунжеры, фрикционные диски; 55, 60 – пружины, рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки, железнодорожные рельсы, крановые колеса. 
 
 
 
 
 
 

     Инструментальные  качественные углероды

     Маркируются углеродистые инструментальные стали  по ГОСТ1435-99: У7, У8, У10, У11, У12, У13, У14. Цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента: У7 – 0,7% углерода; У11 – 1,1% углерода. Стали могут быть качественные (серы 0,028%, фосфора 0,03%) и высококачественные (серы 0,018%, фосфора 0,025%). Буква А в конце марки, указывает, что сталь высококачественная. Обозначаются углеродистые высококачественные инструментальные стали У7А, У8А, …, У13А. Эти стали не обладают теплостойкостью, рабочая температура не более 190-200˚C (при нагреве выше происходит резкое снижение твердости режущей кромки с HRC62-63 до HRC15-18). Используют после термической обработки.

     Области применения инструментальных сталей: У7, У7А – зубила, молотки, плоскогубцы, кусачки, пневмоинструмент; У8, У8А – фрезы, ножи, зенковки, штампы, матрицы, пуансоны, ножницы, деревообрабатывающий инструмент; У9, У9А, У10, У10А – сверла, метчики, развертки, плашки, матрицы для холодной штамповки; У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А – резцы, напильники, сверла, измерительный инструмент, ножовочные полотна.  
 
 
 
 
 
 

     Автоматные  стали (конструкционные)

     Хорошо  обрабатываются при больших скоростях  резания, при этом получается высокое  качество поверхности. Это достигается  повышенным содержанием серы и фосфора. Сульфиды марганца MnS способствуют образованию короткой и ломкой стружки. Фосфор, повышая прочность, твердость и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой и блестящей поверхности.