Лекция 15
Сталь – сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали - не более 2,14 %, но и не менее - 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твердость, снижая пластичность и вязкость.
Сталь получают из чугуна путем удаления из нее части углерода и примесей. Существует три способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.
В основе получения стали лежит окислительный процесс, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора). Окисление примесей осуществляется кислородом, содержащимся в газах и оксидах железа и марганца. После окисления примесей из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород (раскисление), вводят легирующие добавки и получают сталь заданного химического состава.
Конвертерный способ. Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь.
Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы. Емкость современных конвертеров равна 60 – 100 т. Перед заливкой чугуна конвертер поворачивают до горизонтального положения. В конвертер заливают чугун (0,7 – 1,25 % Si; 0,5 – 0,8 % Mn; 3,8 -4,4 % C; <0,065 P; <0,06% S) при температуре 1250 – 1300 оС. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье в течение 10 - 15 мин. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо. При достижении необходимой концентрации углерода конвертер возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл выливают в ковш, одновременно раскисляя его путем добавки в ковш раскислителей.
Общая длительность плавки составляет 20 - 30 мин.
Классификация стали. По содержанию углерода сталь подразделяется на низкоуглеродистую (С < 0,25 %), среднеуглеродистую (С 0,25 – 0,60 %) и высокоуглеродистую (С 0,6- 2,14 %).
По назначению сталь подразделяется на конструкционную, топочную, подшипниковую, инструментальную и т.д.
По степени раскисления (перевод растворенного в металле кислорода в нерастворимое состояние и удаление кислорода из металла) сталь разделяется на спокойную (раскисленную, из которой кислород удален), кипящую (не проводилось раскисление) и полуспокойную (кислород удален из стали частично).
Спокойная сталь называется так, потому что при застывании в изложницах ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь называют «спокойной». Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться и металл будет бурлить (кипящая).
Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд примесей Mn,Si, S, P,O, N, H. При содержании С в стали более 1-2% её твердость возрастает, а временное сопротивление уменьшается.
Кремний (0.35 - 0.4%) повышает предел текучести и снижает способность стали к холодной деформации – штамповке. Марганец (0.5 - 0.8%) повышает прочность и уменьшает хрупкость при высоких температурах.
Сера повышает хрупкость при высоких температурах, снижает ударную вязкость и предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Её количество ограничивают в пределах 0.035 - 0.06 %
Фосфор является вредной примесью (0.025-0.08 %).
Азот повышает порог хладноломкости, уменьшает ударную вязкость и предел выносливости стали.
Особенно вреден водород. Он не только «охрупчивает», но и приводит к образованию трещин.
Свойства стали:
плотность стали: 7700 - 7900 кг/м³,
удельная теплоемкость при Т=200С - 462 Дж/(кг·°C);
температура плавления 1450-1520 0 С;
коэффициент теплопроводности 15,5 – 54,5 Вт/м К (в зависимости от состава).
Основными способами модифицирования структуры и свойств стали являются:
- введение в расплавленный металл веществ, образующих тугоплавкие соединения (карбиды – ZrC, VC, NbC, TiC; нитриды – AIN, оксиды – (Cr, Fe)2O3, (Al, Fe)2O3), являющиеся центрами кристаллизации;
- введение легирующих элементов, повышающих прочность кристаллических решеток феррита и аустенита, замедляющих диффузионные процессы выделения углерода, карбидов и движение дислокаций;
- термическая и термомеханическая обработка стали.
Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов с целью получения так называемой легированной стали, т.е. такой стали, в составе которой находятся специальные примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие-либо особые физико-химические или механические свойства.
По содержанию легирующей добавки сталь разделяется на низколегированную (< 5 %), среднелегированную (5-10 %) и высоколегированную (>10 %).
Легирующие элементы вводят в конструкционные стали: Сr 0,8–1,1 %; Ni 0,5-4,5 %; Si 0,5-1,2 %; Mn 0,8-1,8 %; W 0,5 -1,2 %; Mo 0,15-0,4 % и др.
Si, Mn – повышают твердость, прочность, понижают пластичность.
Сr – повышает прочность, твердость и текучесть, улучшает коррозионную стойкость.
В марках легированных сталей вид и содержание легирующих элементов указывают буквами и цифрами стоящими справа от букв. Они указывают примерное содержание (%) легирующего элемента. Отсутствие цифр означает, что содержание не превышает 1-1,5 %.
Обозначение элементов в марках стали: А –азот; Б –ниобий; В – вольфрам; Г –марганец; Д – медь; Х –хром; С – кремний; П – фосфор; М – молибден, Н –никель.
Содержание углерода в стали указывают двухзначными цифрами, приводимыми в начале марки в сотовых долях процента.
Пример: 12ХН3А
0,12 С; 1-1,5 Сr; 3% Ni; 1 % N.
Буква А обозначает повышенное качество стали, особую чистоту.
Обработка стали. Термическая обработка резко изменяет свойства стали при неизменном химическом составе: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
Для устранения структурной неоднородности, измельчения зерна, уменьшения твердости, повышения вязкости, улучшения обрабатываемости, устранения внутренних напряжений применяют отжиг. Отжиг заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующим медленном охлаждении. Охлаждение ведется вместе с печью.
Нормализация отличается от отжига тем, что после нагрева стали и необходимой выдержки охлаждение ведут не в печи, а на воздухе. Нормализация дает более твердую и прочную сталь, чем отжиг. Нормализация – это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.
Закалка стали заключается в нагреве её до температуры выше критической, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении в воде, масле и другой среде. Цель закалки – это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность. Охлаждение стали может происходить в одной среде, в двух средах (ступенчатая и изотермическая).
Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3%) закалке не поддаются, и она для них не применяется.
Отпуск стали заключается в её нагреве в закаленном состоянии до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении быстром или медленном. Целью отпуска является повышение вязкости, уменьшение внутренних напряжений и хрупкости стали, повышение пластичности при некотором снижении прочности, то есть смягчение действия закалки. Закалке и отпуску обычно подвергают инструментальную сталь и детали инструмента.
Значительно изменяется качество стали в результате химико-термической обработки, целью которой является получение поверхностного слоя, обладающего повышенной твердостью, износоустойчивостью, коррозионной стойкостью. Достигается это посредством следующих процессов:
Цементация заключается в насышении поверхностного слоя стали при температуре 850-9000С углеродом с целью получения после закалки твердой поверхности и вязкой сердцевины.
Азотирование состоит в поглощении поверхностным слоем стали азота для приобретения высокой твердости.
Цианирование – это насыщение одновременно углеродом и азотом, что приводит к повышению твердости, износоустойчивости и режущих свойств.
Сталь применяется для производства металлопроката (уголок, швеллер, двутавровые балки и др.), металлоконструкций (балки, фермы и др.), арматуры, стальных труб.
В промышленности и быту стальные трубы могут использоваться как в виде составных элементов напорных или безнапорных трубопроводов, так и в роли деталей для нагруженных или слабонагруженных металлоконструкций.
В сфере водоснабжения используются трубы, диаметр которых не превышает 110-150 мм. С этой ролью справятся и бесшовные, и прямошовные трубы. Правда, большая часть стальных труб из домашнего и промышленного водоснабжения вытесняется полимерными аналогами.
В системах отопления стальные трубы являются общепризнанными фаворитами. Высокая кольцевая жесткость и достаточно большое сопротивление продольным нагрузкам делают стальную трубу практически идеальным стояком в системе вертикальной разводки. В качестве основы для трубопровода или регистров системы отопления можно использовать и бесшовные изделия, и трубы со швом.
В металлоконструкциях нагруженного и слабонагруженного типа используются только прямошовные профильные трубы с квадратным или прямоугольным сечением. А в случае необходимости в наборе заготовок для металлоконструкций добавляют еще и прямошовные трубы с круглым профилем.