Рекомендована література

[1. с. 195 – 214, 291 – 314; 2. с. 137 – 156, 198 – 214; 3. с. 13 – 16; 4. с. 58 – 61; 5. с. 180 – 221, 341 –363; 6. с. 77 – 88, 108 – 123; 7. с. 18 – 20; 8. с. 20 - 25]

Поняття про виробництво сталі із чавуну

Сталь відрізняється від чавуну хімічним складом – меншим вмістом вуглецю, кремнію, марганцю, домішок сірки та фосфору. Виходячи з особливостей технології виробництва сталі, основною сировиною для її одержання є передільний чавун та стальний металобрухт. Передільний чавун, як правило, містить 3,8...4,4 % С, 0,2...2,0 % Si, 0,6...3,5 % Mn, 0,07...1,6 % P, 0,03...0,08 % S.

Суть переробки чавуну в сталь полягає у зменшенні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок (фосфору і сірки), які роблять сталь крихкою і ламкою, і переводу їх у шлак або гази. То ж сталь одержують шляхом окислення надлишку С, Si, Mn, S та P.

Залежно від способу окиснення вуглецю існують різні способи переробки чавуну на сталь: конверторний, мартенівський і електротермічний. Як зазначалося раніше, до фінансової кризи в 2008 році Україна залишалася однією з небагатьох країн, де широко використовувався мартенівський спосіб виплавки сталі, що є досить енергозатратним та екологічно шкідливим. Наразі більшість мартенівських печей в Україні виведено з експлуатації, а ті що лишилися, невдовзі також будуть закриті. Таким чином зараз в Україні, як і в усьому світі, переважна більшість сталевої продукції виробляється конвертерним способом.

Україна на разі входить у десятку найбільших виробників та експортерів сталі у світі.

В даний час основним способом переробки чавуну, що виплавляється в доменній печі, став киснево-конвертерний процес. Важливою особливістю виробництва сталі є відносна легкість її повторного використання. І кисневий конвертер, і мартенівська піч можуть працювати з великим відсотком сталевого брухту (скрапу), а електропіч – і просто на одному скрапі. Це набуває особливо важливе значення в наші дні, коли загострилася проблема видалення відходів. Вартість повторного використання значною мірою залежить від якості металобрухту. Найбільшу цінність представляє великий металобрухт, походження якого (хімічний склад) відомо. Деякі кількості такого скрапу надходять з металообробних заводів, а ще більше – після розбирання застарілого заводського і залізничного устаткування і переробки на металобрухт морських та річкових суден.

Легуючі елементи зазвичай додають в сталь у вигляді феросплавів. Феросплави містять значні кількості заліза, яке служить носієм легуючих елементів. До найбільш важливих феросплавам відносяться феромарганець, необхідний для всіх сталей; феросиліцій, застосовуваний для отримання сталей зі спеціальними магнітними властивостями і для розкислення сталей, виплавлюваних в електропечах; ферохром і ферованадій. Нікель додається у вигляді бездомішкового металу.

Характеристика конвертерного способу виробництва сталі

Суть киснево-конвертерного процесу полягає у продуванні рідкого чавуну киснем. За цим способом окиснення надлишку вуглецю та інших домішок чавуну проводять киснем повітря, який продувають крізь розплавлений чавун під тиском у спеціальних печах – конверторах.

Кисневий конвертер (рисунок 6.1) представляє собою посудину грушовидної форми із стального листа, внутрішня частина якого футерована основними вогнетривкими матеріалами. Він може повертатися навколо своєї осі. Місткість конвертора 50 – 60 т сталі. Матеріалом його футеровки служить або динас (до складу якого входять головним чином SiO₂; що має кислотні властивості), або доломітна маса (суміш CaO і MgO, які одержують з доломіту MgCO₃ · CaCO₃.

Робоче положення конвертера – вертикальне. Кисень подається в нього під тиском 0,8...1,0 МПа за допомогою водоохолоджуваної фурми, що введена в конвертер через горловину і розташована над рівнем рідкого металу на відстані 0,3...0,8 м.

Перед початком роботи у конвертер завантажують біля 30 % стального металобрухту, потім заливають рідкий чавун при температурі 1250...1400 ºС, вводять кисневу фурму, подають кисень і додають матеріали, що утворюють шлаки.

В момент, коли вміст вуглецю досягає заданого значення для даної марки сталі, подачу кисню припиняють, конвертер повертають і виливають спочатку сталь, а потім – шлак. Продуктивність кисневого конвертера ємністю 300 т досягає 400...500 т/год, в той час як продуктивність мартенівських і електропечей не перевищує 80 т/год.

Рисунок 6.1 – Кисневий конвертер: а) схема будови конвертера (1 – ванна; 2 – водоохолоджувана фурма; 3 – отвір для виливу чавуну); б) загальний вигляд

Характеристика способу виробництва сталі в електропечах

Для одержання високоякісної сталі застосовують методи спеціального переплавлення, що змінюють структуру сталі і покращують її властивості. До таких методів можна віднести переплав у вакуумній індукційній печі (одержується сталь чиста за газами, сіркою та фосфором), у вакуумній дуговій печі, електрошлаковий переплав, позапічна обробка тощо.

Порівняно з іншими плавильними агрегатами електропечі володіють рядом переваг: здатністю швидкого нагрівання і підтримання заданої температури в межах 2000 ºС, можливістю створення окислювальної, відновлювальної та нейтральної атмосфери, а також вакууму. Це дозволяє виплавляти в електропечах сталі і інші сплави з мінімальною кількістю шкідливих домішок та сталі зі спеціальними властивостями. Металургійні електричні печі поділяють на дугові і індукційні.

У дуговій електропечі джерелом тепла є електрична дуга, що виникає між електродами діаметром 350...550 мм і шихтою при подачі на електроди напруги 200...600 В і струму 1...10 кА. Плавка з окисленням схожа з мартенівським процесом. Плавка без окислення застосовується для одержання легованих сталей.

Індукційні печі порівняно з дуговими мають ряд переваг:

- відсутність дуги дозволяє виплавляти метали з малим вмістом вуглецю і газів;

- електродинамічні сили, що виникають, перемішують рідкий метал, вирівнюючи хімічний склад і умови спливання неметалічних включень;

- ці печі мають невеликі розміри, що дозволяє розміщувати їх в спеціальних камерах, створюючи будь-яку атмосферу чи вакуум.

В цих печах плавку звичайно проводять методом переплавки легованих сталей або чистого за сіркою та фосфором вуглецевого скрапу і феросплавів.

Тривалість плавки в індукційній печі ємністю 1 т складає 45 хв, витрати електроенергії на 1 т сталі – 600...700 кВт·год.

Поняття про розливання сталі. Характеристика видів розливання сталі

Виплавлену в плавильній печі сталь випускають у сталерозливний ківш і мостовим краном переносять до місця розливання злитків.

Сталь розливають у виливниці або кристалізатори установок для безперервного розливання.

Виливниця представляє собою чавунну форму для одержання злитків різного перерізу. Маса злитків для прокату становить 10...12 т, а для поковок досягає 250...300 т. Застосовують два способи розливання сталі у виливниці: зверху (рисунок 6.2, а) і сифоном (рисунок 6.2, б).

При розливанні сталі із ковша у виливниці (чавунні, рідше стальні) кожна заповнюється металом окремо.

Розливання сифоном здійснюється у виливниці внизу вверх одночасно у 2...60 встановлених на піддоні виливниць через центровий ливник і канали у піддоні. При цьому забезпечується плавне, без розбризкування, їх заповнення; поверхня злитка – чиста, скорочується час розливання. Недоліком цього способу є забруднення металу неметалічними включеннями.

Рисунок 6.2 – Схеми розливання сталі: а) зверху (1 – ківш; 2 – виливниця; 3 – піддон); б) знизу сифоном (4 – центральний стояк; 5 – утеплювач;

6 – футерівка)

Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування

Наявність невеликої кількості домішок в сталі суттєво не впливають на положення критичних точок і характер ліній на діаграмі стану залізо-цементит. Тому з певним наближенням сталь можна розглядати як подвійний сплав заліза з вуглецем.

Спочатку розглянемо евтектоїдну сталь – сталь з концентрацією вуглецю рівною 0,8 %. При охолодженні розплаву по лінії ліквідусу починають випадати кристали аустеніту і по лінії солідусу кристалізація закінчується. В точці S однорідний аустеніт розпадається з утворенням тонкої механічної суміші зерен фериту і цементиту. Ця суміш зветься перлітом. Таким чином, евтектоїдна сталь представляє собою один перліт (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Мікроструктура евтектоїдної сталі: а) перліт пластинчастий; б) перліт зернистий.

В сталі з концентрацією вуглецю менше ніж 0,8 % по лінії GS відбувається вторинна кристалізація сталі: алотропне перетворення γ-заліза в α-залізо і виділення фериту. Кількість вуглецю в залишковому аустеніті поступово зростає і доходить до евтектоїдного складу (0,8%). При температурі 727 ºС після закінчення випадання кристалів фериту починає розпадатися залишковий аустеніт в суміш фериту і цементиту (перліт). Таким чином, сталь з концентрацією вуглецю менше 0,8 % представляє собою суміш зерен фериту і перліту (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 – Мікроструктура доевтектоїдної сталі:

(ферит – світлі ділянки, перліт – темні).

В сталях з концентрацією вуглецю більше ніж 0,8 % при охолодженні по лінії SE починається вторинна кристалізація: аустеніт розпадається з утворенням цементиту (рисунок 6.5). Кількість вуглецю в аустеніті поступово зменшується. Таким чином, сталі, що містять вуглецю більше ніж 0,8 %, складаються із зерен перліту і цементиту, що розташовується по границях зерен перліту.

Рисунок 6.5 – Мікроструктура заевтектоїдної сталі: вторинний цементит у вигляді світлої сітки на границях зерен перліту.

Властивості сталі залежать від її складу і структури. Ферит – м’яка і пластична фаза, а цементит, навпаки, твердий і крихкий. Перліт містить 1/8 цементиту і тому має підвищені міцність і твердість порівняно з феритом.

Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) за хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві та леговані. Крім того, сталі містять окрім вуглецю – до 0,4 % Si, 0,5…0,8 % Mn і по 0,2...0,6 % S і P. Кремній і марганець є корисними домішками; розчиняючись у фериті, вони зміцнюють сталь. Сірка і фосфор – небажані домішки, від них намагаються позбутися. Сталі, в яких містяться спеціально введені домішки (легуючі елементи), що змінюють їх властивості, називаються легованими;

б) за вмістом вуглецю сталі поділяють на низьковуглецеві (до 0,3 % С), середньовуглецеві (0,3...0,6 % С) та високовуглецеві (понад 0,6 % С);

б) за призначенням всі вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (С≤ 0,8 %) та інструментальні (С ≥ 0,8 %). У легованих сталях легуючі елементи змінюють їх властивості. Легуючі елементи підвищують міцність сталі. Найбільше сталі зміцнюють кремній, марганець і нікель;

в) за якістю та способами розкислення сталі поділяють в залежності від вмісту в них шкідливих домішок – сірки та фосфору.

До конструкційних сталей звичайної якості відносять сталі з вмістом сірки та фосфору до 0,04...0,06 % . Позначаються ці сталі буквами Ст і цифрою – номером сталі, наприклад, Ст1, Ст3, …, а також вказується ступінь розкислення сталі: кипляча (кп), напівспокійна (пс), спокійна (сп), наприклад, Ст2кп, Ст4сп. У якісних конструкційних сталях міститься менше сірки та фосфору (≤0,04 %). Їх позначають словом сталь і числами 08, 10, 15, 20, ..., 85 – середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 – Приклади маркування вуглецевих сталей

Інструментальні сталі поділяють на якісні: У7, У8...У12, У13 та високоякісні: У7А, У8А...У12А, У13А. Числа в марці сталі вказують на вміст вуглецю у десятих долях відсотка, а буква А – на високу якість. Інструментальні сталі використовують для виготовлення різальних, штампувальних, вимірювальних та інших інструментів;

г) за способом виробництва вуглецеві сталі звичайної якості випускаються гаряче- та холоднокатаними, у вигляді заготовок з установок безперервного лиття, труб, поковок, штамповок, стрічок, дротів. Вуглецева якісна сталь випускається гарячекатаною і кованою;

д) за будовою сталі можуть бути відповідно перлітні, карбідні, феритні, аустенітні та мартенситні. Зазначені сталі відрізняються між собою механічними та технологічними властивостями.

Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей

Крім вуглецю, у складі вуглецевої сталі завжди присутні кремній, марганець, сірка і фосфор, які певним чином впливають на властивості сталі. З підвищенням масового вмісту вуглецю твердість, часовий опір σ_в і межа пружності σ_пр зростають, разом з тим відносне видовження δ зменшується.

Постійні домішки сталі звичайно містяться в межах (%): кремній – до 0,5; сірка – до 0,05; марганець – до 0,7; фосфор – до 0,05.

Кремній і марганець в зазначених межах суттєво на властивості сталі не впливають. З підвищенням їх масового вмісту спостерігається зростання твердості і міцності сталі. Такі сталі вже вважаються легованими.

Сірка являється шкідливою домішкою, бо утворені нею хімічні сполуки з залізом підвищують червонокрихкість сталі; при цьому знижуються пластичність і міцність, опір стиранню і корозійна стійкість.

Фосфор придає сталі холодноламкість (крихкість при звичайній та пониженій температурі).

Переваги і недоліки вуглецевих сталей

Суть процесу переробки чавуну на сталь полягає у зменшенні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок – фосфору і сірки, які роблять сталь крихкою і ламкою.

Переваги вуглецевих якісних сталей – дешевина й технологічність. Але через малу прожарюваність ці сталі не забезпечують необхідний комплекс механічних властивостей у деталях перерізом більше 20 мм.

Перевага вуглецевих інструментальних сталей полягає в основному в їх дешевизні і достатньо високій твердості (HRC 60...62) в порівнянні з іншими інструментальними матеріалами. До недоліків слід віднести малу зносостійкість і низьку теплостійкість (250ºС). У разі більшої температури твердість інструменту значно знижується і він втрачає свої різальні властивості.

З вуглецевих інструментальних сталей виготовляють зубила, кернери, напилки, шабери, ножівкові полотна, мітчики, зенкери, розвертки та інші інструменти.

Поняття про леговану сталь

Низка механічних властивостей таких, як міцність, в’язкість, жаро- та холодостійкість вуглецевих сталей у багатьох випадках не задовольняють умови роботи деталей машин в двигунах внутрішнього згоряння, в машинобудуванні та в інструментальному виробництві.

Покращити властивості сталей можна шляхом введення в них легуючих елементів. Такі сталі називають легованими. Легуючі елементи вводять в сталь для підвищення її конструкційної міцності. Основною структурною складовою в конструкційній сталі є ферит, що займає в структурі не менше 90 % за об'ємом. Розчиняючись у фериті, легуючі елементи зміцнюють його.

Отже, головне призначення легування: підвищення міцності сталі без застосування термічної обробки шляхом зміцнення фериту, розчиненням в ньому легуючих елементів. Легуючі елементи можуть розчинятися у фериті або аустеніті, утворювати карбіди, давати інтерметалідні сполуки, розташовуватися у вигляді включень, не взаємодіючи з феритом і аустенітом, а також з вуглецем. Залежно від того, як взаємодіє легуючий елемент із залізом або вуглецем, він по-різному впливає на властивості сталей. У фериті більшою чи меншою мірою розчиняються практично всі елементи.

Розподіл легуючих елементів у сталях

Для легування сталей застосовують наступні елементи, які позначають відповідними буквами кирилиці:

А – азот, Ю – алюміній, Р – бор, Ф – ванадій, В – вольфрам, К – кобальт, С – кремній, Г – марганець, Д – мідь, М – молібден, Н – нікель, Б – ніобій, Е – селен, Т – титан, П – фосфор, Х – хром, Ц – цирконій та ін.

Якщо в сталь ввести один легуючий елемент, то сталь і називають за цим елементом; і зветься вона потрійною, бо містить залізо, вуглець і легуючий елемент. Із потрійних сталей застосовують хромисту, марганцевисту та кремнисту. При наявності в сталі двох і більше легуючих елементів утворюється складно-легована сталь (хромонікелева, хромокремнистованадієва та ін.). У більшості легованих сталей присутніми є хром, кремній і марганець.

Класифікація легованих сталей

За сумарним масовим вмістом легуючих елементів (у відсотках) сталі можуть поділятися на низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5-10 %) та високолеговані (більше 10 %) .

За призначенням леговані сталі поділяють на: конструкційні, інструментальні та зі спеціальними фізичними властивостями. До конструкційних легованих сталей належать сталі, які застосовуються для виготовлення цементуючих та покращених термообробкою деталей машин, пружин, шарикопідшипників, жаро-міцні, зносо- та корозійностійкі сталі. Ці сталі легуються різними елементами, зокрема: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, Ti, Al і ін.

До інструментальних відносяться сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю. Тому їх легують в основному елементами, що утворюють карбіди – Cr, W, V, Mo та ін.

До сталей зі спеціальними властивостями належать магнітні матеріали з високим електричним опором, із заданим коефіцієнтом лінійного розширення, з особливими пружними властивостями. В цих матеріалах переважно значний вміст Ni, Cr, Co і ін.

Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування

Леговані конструкційні сталі застосовуються для найбільш відповідальних і важконавантажених деталей машин. Практично завжди ці деталі піддаються кінцевій термічній обробці – загартуванню з наступним високим відпуском в межах 550-680 ºC (поліпшення), що забезпечує найбільш високу конструкційну міцність.

Конструкційні низьколеговані сталі загального призначення містять 1,5 – 2,5 % легуючих елементів, які зумовлюють покращення механічних властивостей сталі порівняно з вуглецевими.

Низьколеговані сталі широко використовуються в авто- та суднобудуванні.

Дві цифри, що стоять на початку маркування легованої сталі, вказують на конструкційні сталі (одна цифра - на інструментальні). Це вміст в сталі вуглецю в сотих долях відсотка (рисунок 6.7).

Рисунок 6.7 – Приклад маркування легованої сталї

Для важких умов тривалих і вібраційних навантажень рекомендовані сталі марок 10ХСНД, 15ХСНД, термооброблена сталь 10Г2С; для конструкцій без динамічних навантажень – 14Г2, 14Г2АФ, для труб великого діаметра газогонів – 17ГС, 14Г2САФ ін.

Конструкційні сталі виробляють покращеними (термооброблені), цементуючими (з підвищеними твердістю та зносостійкістю поверхневого шару), автоматними (з добрими властивостями при механічній обробці).

Характеристика легованих інструментальних сталей, їх маркування і застосування

Як зазначалося раніше до інструментальних відносяться сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю, а також значною червоностійкістю..

Для ударно-штампувального інструменту використовують високолеговану хромисту сталь, наприклад, марок Х12М (~1,5 % С і 11,5...13,0 % Cr і 0,5 % Мо), Х12ВМ і ін. Для різального інструменту використовують: для різців, свердел, фрез – сталь 9ХС, мітчиків, свердел, розгорток – ХВГ, 9Х5ВФ, для різання твердих матеріалів – ХВ5.

Швидкорізальні інструментальні сталі – це високолеговані інструментальні сталі, що характеризуються значним вмістом вольфраму (6...19 %), хрому (3...4,5 %), молібдену (3...6 %) і володіють червоностійкістю. Під час нагрівання в процесі різання до високих температур (600...650ºС) вони не втрачають своєї твердості і різальних властивостей. Швидкорізальна інструментальна сталь поєднує в собі високу теплостійкість з високою твердістю, зносостійкістю (при підвищених температурах) і підвищеним опором пластичній деформації. Застосовується для виготовлення верстатних різальних інструментів (різців, свердел, розгорток, фрез, зенкерів та ін.) застосовують сталі Р9, Р12, Р18, Р6М3, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2 та ін.

Позначення марки сталі: Р – швидкорізальна сталь, цифра – вміст вольфраму в десятих долях відсотка, М, К, Ф – легована молібденом, кобальтом або ванадієм, відповідно.

До таких сталей належать сталі марок Р18, Р12, Р5М5, Р14Ф4, Р9К10 та ін. Зокрема, для різання конструкційних матеріалів використовують сталі Р9, Р12, Р18; для різьбонарізних інструментів – Р6М5; для обробки в’язких матеріалів – Р18К5Ф2 та ін.

Основними легуючими елементами, що забезпечують теплостійкість швидкорізальних сталей, є вольфрам і його хімічний аналог молібден, а також ванадій. Суттєво підвищує теплостійкість швидкорізальних сталей кобальт.

У суднобудуванні широко використовуються низька легованих сталей, що володіють необхідними властивостями, зокрема, корпусні, якірні та ін. Серед корпусних сталей слід виділити хромисті – 08Х13, 12Х13, 20Х13; корозійностійкі (хромонікелеві) – 08Х18Н10, 12Х18Н10, 12Х18Н10Т; аустенітні (високоазотисті) – 04Х20Н14Г6М2АСБ, 04Х20Н6Г11М2АФБ.

Зважаючи на високу вартість легованих сталей суттєвої уваги для суднобудування заслуговують двошарові корозійностійкі (біметалеві) корпусні сталі, у яких в якості основи використовують сталь 20, Ст3сп, 16ГС, 09Г2С, а нанесений шар – легована сталь марок 08Х18Н10Т, 08Х17Т та ін.

Одержують двошарові (біметалеві) сталі шляхом термо-механічного покриття – нанесення на поверхню металевих листів, плит, дроту, труб тонкого шару іншого металу або сплаву термомеханічним способом. Здійснюється це в процесі гарячого плющення (прокату між валками), пресування, а також методом зварювання вибухом. Зчеплення між металами здійснюється в результаті дифузії під впливом спільної деформації гарячої заготівки.

Такі сталі практично не піддаються корозії у річковій та морській воді, зменшують налипання ракушок тощо. Серед якірних сталей слід виділити, зокрема, сталь 20, 25Л-ІІІ, ВСТ3сп та ін.

Переваги і недоліки легованих сталей

Вуглецеві сталі досить дешевші, але мають ряд недоліків, у першу чергу – не мають спеціальних властивостей. Тому для виробів, що працюють у складних умовах, наприклад високих тисків, високих температур, корозійного впливу середовищ, за­стосовують леговані сталі, у які, крім вуглецю і постій­них домішок, вводяться спеціальні легуючі елементи з метою зміни експлуатаційних властивостей.

Леговані інструментальні сталі (сталі з підвищеною прогартовуваністю) мають покращену різальну здатність внаслідок наявності в їх хімічному складі таких легуючих елементів як хром, вольфрам, кремній, ванадій, молібден та ін.

Теплостійкість їх досягає 350ºС. Твердість після термічної обробки HRC 62...64. Виготовлені інструменти з цих сталей можна використовувати для роботи на помірних швидкостях різання.

Найпоширеніші марки легованих інструментальних сталей такі: хромисті (9Х, Х), хромовольфрамові (ХВ5), хромовольфрамо-марганцеві (ХВГ), хромокремниста (9ХС). З них виготовляють протяжки, мітчики, плашки, свердла, розгортки та інші різальні інструменти.

Основним недоліком легованих сталей є висока вартість через складність технології їх виробництва.

Лекція 7 Поняття про кольорові метали та їх сплави: характеристика, будова, властивості, маркування, застосування

Мета: Сформувати у курсантів компетентність в питаннях класифікації кольорових металів та їх сплавів, будови, властивостей, позначень і застосування.

1 Класифікація кольорових металів.

2 Властивості і застосування міді.

3 Характеристика сплавів на основі міді.

4 Властивості і застосування алюмінію.

5 Характеристика сплавів на основі алюмінію.

6 Титан і характеристика сплавів на основі титану.

7 Характеристика сплавів на основі магнію.