Контрольные вопросы

1. Определение чугунов

2. Классификация чугунов по назначению

3. Характеристика, применение и маркировка передельных чугунов

4. Особенности серых чугунов. Их маркировка

5. Влияние формы графитных включений на свойства чугунов

Состав и свойства легированных чугунов. Применение, маркировка

Тема 4. Сталь. Классификация, основные виды и разновидности, маркировка

Сталь - сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2%. Она широко применяется для изготовления различных металлических изделий, в том числе товаров народного потребления.

Основное сырье для производства сталей - передельный чугун, в меньшем количестве используют вторичные черные металлы, ферросплавы, технически чистые металлы.

В настоящее время созданы сотни марок сталей. Для удобства пользования всем этим многообразием принято классифицировать стали по ряду признаков.

В зависимости от способа изготовления различают стали конверторные, кислородно-конверторные, мартеновские и электростали.

При конверторном способе передел чугуна в сталь производят в поворотных грушевидных печах - конвекторах, в которых снизу через отверстие подается воздух. Проходя через жидкий чугун кислород воздуха соединяется с примесями (это кремний, углерод, марганец). Кремний и марганец в виде окислов переходят в шлак, а углерод выгорает в виде оксида углерода.

Двумя разновидностями этого метода, а, следовательно, и разновидностями конверторной стали, являются бессемеровская и томасовская стали, названные так по способу их производства, который, в свою очередь, обусловлен составом руды и особенностями технологии.

Главное преимущество конверторной стали - ее дешевизна. Однако она имеет ряд недостатков:

- а) низкое качество. Это связано, во-первых, с повышенной хрупкостью, поскольку сталь содержит много азота, перешедшего в нее из воздуха; во-вторых, она красноломкая - хрупкая при высокой температуре. Это связано с высоким содержанием оксида железа. В-третьих, в такой стали много неметаллических включений в виде окислов;

- б) ограниченная область применения.

Разновидности конверторной стали - бессемеровская и томасовская - имеют разные области применения. Бессемеровская сталь используется при изготовлении сварных труб, винтов, шурупов, рельсов, проволоки, а томасовская, в свою очередь, при производстве кровельного железа, проволоки, рельсов.

В отличие от предыдущего метода при производстве кислородно-конверторной стали через чугун продувают не воздух, а чистый кислород. Это приводит к резкому улучшению качества стали за счет устранения недостатков, имеющих место при конверторном способе производства.

Мартеновская сталь составляет 80% от общего объема производства сталей. При этом способе сталь выплавляют на поду пламенной с газовым обогревом печи, напоминающей по устройству ванную стекловаренную печь. В такой печи можно перерабатывать как жидкий, так и твердый чугун, а также стальной лом. Мартеновская сталь имеет ряд преимуществ. Во-первых, благодаря длительности процесса получения стали можно производить присадки ферросплавов и других материалов, регулируя тем самым ее состав и свойства. Во-вторых, качество такой стали выше, поскольку она содержит меньшее количество примесей и имеет меньшую пористость вследствие низкого содержания газов. Мартеновская сталь применяется для ответственных изделий, проката, листов, заготовок, рельсов.

При получении электростали обогрев ванны с чугуном осуществляется электротоком. Основными преимуществами этого вида стали являются:

- регулируемая структура, поскольку в процессе выплавки можно изменять температуру нагрева;

- меньшая пористость, т.к. отсутствует выделение газов;

- возможность ввода тугоплавких легирующих добавок из-за высокой температуры процесса позволяет получать высококачественные специальные виды сталей.

К недостаткам электростали можно отнести ее высокую цену, что связано с высокой стоимостью электроэнергии.

Электросталь используется как сталь специального назначения - нержавеющая, жаропрочная и т.д.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали названы так по основному элементу - углероду (содержание не более 1,35%), который очень сильно влияет как на структуру, так и на свойства сталей. С увеличением содержания его возрастают прочность, твердость, упругость стали и снижаются ее пластичность, относительное удлинение и сужение. Кроме углерода, сталь содержит постоянные примеси, количественное содержание которых нормируется стандартами. Это марганец, кремний, сера и фосфор. Каждый из этих элементов оказывает определенное влияние на свойства углеродистой стали. Так, например, марганец нейтрализует примеси серы; повышает твердость и прочность стали. Кремний способствует образованию более плотного слитка. Он также повышает твердость, упругость, пластичность, текучесть стали. Сера и фосфор оказывают отрицательное влияние на качество стали, ухудшают ее механические свойства и придают хрупкость.

Помимо постоянных, сталь может содержать и так называемые скрытые примеси - кислород, азот, водород в свободной и связанной форме. Эти элементы увеличивают твердость, хрупкость стали в холодном и горячем состоянии, снижают способность ее к механическим обработкам. Содержание газов в стали значительно уменьшается при выплавке (так называемый электрошлаковый переплав) или разливке ее в вакууме .

В стали могут содержаться также и случайные примеси, попадающие в нее с исходной рудой. Например, с уральской рудой в сталь попадает медь, а с ломом - цинк, олово, хром.

Легированные стали, кроме углерода, содержат один или несколько легирующих, специально добавляемых элементов. Обычно в качестве легирующих добавок используют никель, хром, молибден, титан, ванадий, вольфрам, марганец и другие. Легированные стали превосходят углеродистые по твердости, износостойкости, жаропрочности и устойчивости к коррозии. Однако они имеют высокую стоимость.

После выплавки из стали необходимо удалить закись железа и растворенные в металле газы. Для этого производят раскисление путем добавки элементов, способных восстановить закись железа и перевести образовавшиеся окислы в шлак. Такими свойствами обладают марганец, кремний и алюминий. Поэтому принято различать стали в зависимости от степени раскисления и характера застывания металла в изложнице.

По этому признаку различают сталь кипящую, спокойную и полуспокойную.

Кипящую сталь получают разливкой до полного раскисления, когда еще выделяются газы (сталь “кипит”). Поэтому в ней много газов, мелких усадочных раковин и газовых пузырей, рассеянных по всему объему слитка. Зато выход кипящей стали выше. Кипящая сталь не пригодна для изготовления ответственных деталей, испытывающих значительные механические нагрузки, т.к. она склонна к старению, характеризуется хладноломкостью, плохо сваривается. Такая сталь не содержит кремний, алюминий, поэтому хорошо штампуется и вытягивается. Обозначается кипящая сталь буквами КП.

Спокойная сталь хорошо раскислена добавками марганца, кремния, алюминия. Слиток имеет хорошую плотность и однородность по химическому составу и высокие механические свойства. Такая сталь обладает более высоким качеством, чем кипящая. Обозначается буквами СП.

Полуспокойная сталь раскислена оптимально и по структуре занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью. Имеет самое высокое качество. Обозначение - буквы ПС.

Этот признак - степень раскисления - учитывается при маркировке сталей.

Легированные стали выпускаются обычно марки СП, а углеродистые - всех трех типов.

Следующий классификационный признак - качество сталей. Качество стали определяется совокупностью таких показателей, как однородность состава, строения и свойств. Качество снижают вредные примеси - сера, фосфор газы. Именно по их количественному содержанию судят о качестве стали. По этому признаку выделяют следующие виды сталей:

- стали обыкновенного качества (только углеродистые с содержанием серы 0,6% и фосфора 0,07%);

- стали качественные;

- стали высококачественные;

- стали особо высококачественные (только легированные).

Каждая последующая группа содержит примерно в 2 раза меньше примесей, чем предыдущая.

В зависимости от назначения различают стали конструкционные, инструментальные и специального назначения с особыми свойствами.

Конструкционные углеродистые стали содержат 0,08-0,85% углерода, вследствие чего обладают пластичностью, хорошо обрабатываются литьем, давлением, резанием. Эти стали достаточно устойчивы к статическим и динамическим нагрузкам. Конструкционные стали применяются для изготовления разнообразных изделий: посуды, приборов для окон и дверей, деталей машин, крепежных изделий, столовых приборов.

Конструкционные легированные стали обладают высокой прочностью к механическим нагрузкам и в тоже время хорошей пластичностью, вязкостью, что позволяет разнообразной механической обработкой изготовлять из них ответственные детали машин, приборов, строительных конструкций.

Инструментальные углеродистые стали содержат углерода в количестве 0,7-1,35%. Они имеют значительную твердость, износостойкость, а также прочность и пластичность. Инструментальные углеродистые стали применяют для изготовления ножей, режущих инструментов, деталей бытовых машин (мельницы для кофе, мясорубки), испытывающих сильное трение при работе.

Инструментальные легированные стали используют для изготовления сверлильных, режущих, измерительных и других инструментов, которые должны иметь повышенную твердость, износостойкость, особенно при высоких скоростях обработки и температуре. От углеродистых инструментальных сталей они отличаются прокаливаемостью, высокими режущими свойствами, большей пластичностью в отожженном состоянии.

К специальным сталям с особыми свойствами относят коррозионностойкие (нержавеющие) стали. Их применяют для изготовления посуды, ножей, вилок и других столовых приборов, а также баков стиральных машин, деталей холодильников.

Нержавеющие стали устойчивы к действию пищевых кислот, поваренной соли, они не разрушают витамины и другие питательные вещества пищи, не вызывают изменений вкуса, цвета пищи, имеют красивый внешний вид, но дороги. Эти ценные потребительские свойства стали приобретают благодаря легированию хромом, никелем, титаном. Высокие коррозионностойкие и механические свойства нержавеющие стали получают также в процессе термической и механической обработки.

Маркировка сталей производится буквенно-цифровым шифром в зависимости от их назначения.