Практикалық жұмыс №6 Болаттарды маркілеу және классификациялау Терминдер және анықтамалар

Жұмыстың мақсаты: болаттың қасиеттерімен танысу

Болат – темірдің көміртектің (2,1%) және басқа да химиялық элементтердің қорытпасы.

Қоспалаушы элементтер – болатқа арнайы енгізілетін химиялық элементтер: алюминий, кремний, титан, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, ниобий, молибден, вольфрам. Бор, азот, күкірт, кальций, селен, теллур, цирконий, тантал, қорғасынды және де басқа да сирек жерлік маталдарды сирек қолданады. Болатта қоспалаушы элементтер темірмен, көміртекпен және де өзара әрекеттеседі.

Дендрит ликвация – кристалл ішінде біртекті емес химиялық құрамының біртекті еместігі. Олар прокаттың құрылымдық жолақтылығы немесе карбидтік строчечность дейтіндей ақаулар тудырады. Балқымадан, кристалдану алдынан оның құрамын өзгертеді. Оны гомогенизациондық күйдіру көмегімен сәл – сәл әлсірету болады.

Металл емес қосулар – балқытып және құйылған кезде болатта пайда болған химиялық қосындылар. Қатардағы болаттарда олар көбінесе көлемінің V~ 10^-3 үлесін құрайды, ал нағыз тазасында көлемнің V~10^-4 үлесін құрайды. Металл емес қосулар дәннің өсу шегі, қирату процестеріне, болатта фазалық және құрылысты айналуына әсер етеді.

Эндогенді қосулар – химиялық реакцияның нәтижесінде балқытқан кезде пайда болған болат.

Металл емес қосындылар – болат қатқан кезде құрылады. Көбінесе болатта темір және марганец сульфиды құрылады.

Сульдидтік қосулар - болаттың қатуы нәтижесінде пайда болады. Көбіне болаттан темір және марганец сульфидтері пайда болады.

Нитридтер - металды емес қосулар қатарына азот қалдықтары (0,008% кем емес) мен нитрид түзуші элементтерімен (алюминий, титан және т.б.), болат құрамына кездейсоқ 0,02%...0,03% мөлшерінде немесе ашытқылармен бірге енгізген кезде, қосылыс өнімін түзгенде ғана қалыптасады.

Қоспалар - болат құрамына, оның өндірісі барысында технологиялық қосымшалар немесе шихтаны құраушы материалдар, енетін химиялық элементтерді атаймыз. Олардың құрамы келесі шектермен әдетте шектеледі: Мn 0,8% дейін, Si 0,4% дейін, Cr 0,3% дейін, Ni 0,3% дейін, W 0,2% дейін, Mo 0,1% дейін, Cu 0,3% дейін, Р 0,025...0,04% дейін, S 0,015...0,05% дейін. Құйылған маркаларда қоспалар ретінде құрамында: 0,9% дейін Mn , 0,5% дейін Si , 0,06% дейін S және 0,08% дейін Р болады.

Тұрақты қоспалар - болатқа балқыту процесі нәтижесінде, кеннен және материалды шихтовка кезінде тиеді. Көбінесе олар өндірістік болаттың барлық түрлерінде болатын - марганец пен кремний.

Кездейсоқ қоспалар - болып болатта кеннің табиғи қоспаушыларынан немесе ашытқылардан, скраптан кездейсоқ болатқа тиіп кеткен кез келген элемент бола алады. Көбінесе оларға: Cr, Ni, Ti, W, Mo, Co, Al, Cu.

Зиянды қоспалар - болатта күкірт, фосфор, мышьяк, сутегі, азот және оттегі саналады.

Теория негіздері

Болаттар жалпы негіздемелер бойынша топтастырылады.

Химиялық құрамы бойынша және қара металдардың қорытпаларын көміртекті (қоспалаушы элменттерсіз), аз көміртекті, қоспаланған, жоғары қоспалар және де негізінде темір бар қорытпалар ретінде болып бқлінеді.

Көміртекті болаттарда құрамында арнайы кіргізілетін қоспалаушы элементтер болмайды. Аз көміртекті болаттарда қоспалаушы элементтердің жиынтық құрамы 2,5% - дан аспауы керек (көміртектен басқалары), қоспалағандарда – 2,5...10%, жоғары қоспаларда -10% - дан жоғары, құрамындағы темір 45% кем емес болғанда, бірақ оның көлемі бөтен элементтерге қарағанда көбірек.

Негізгі қоспалаушы элементтердің санының тәуелдігіне байланысты болатты марганцовты, кремдық, хромдық, никельдік, хром никельдік және де т.б. болып аталады.

Болатты тағайындауы бойынша конструкционды, инструменталды, болаттың өзгеше физикалық және химиялық қасиеттарі болып бөлінеді.

Болатты тепе – теңдік түріндегі құрылымы бойынша доэвтектоидтық, эвтектоидтыққа және де заэвтектоидтыққа болып бөледі.

Температурасы шамасында 900⁰С болаттың кішкене қимасын ауада салқындатқан кейін оны перлитты, бейлитты, мартенситты, ледебуритты, беритты және де аустенитты деп бөлеміз.

Сапасына байланысты болат кәдімгі сапалы, сапалы, жоғары сапалы және де өте жоғары сапалы болып бөлінеді. Болаттың сапасын анықтау кезінде химиялық құрамына, әсіресе құрамындағы фосфор және күкірт сияқты зиянды қоспаларының болуына баса назар аударылады (табл. 1). Кәдімгі сапалы болат тек көміртекті болат қатарына жатады, ал қалған сапа санатындағылар кез келген дәрежеде қоспаланған болат қатарына жатады.

Көмірстекті кәдімгі сапалы болат «СТ» болып белгіленеді. «СТ» - тан кейін «СТ»1 – ден «СТ»6 – ға дейін өсетін болат маркасының реттік саны көрсетіледі. Б және В әріптері марканың алдына қойылады. Ашу деңгейін анықтау үшін марка санынан кейін келесі индекстердің бірі қолданылады – сп, пс, кп. Орта дәрежелі болатта марганец (102% дейін) шамадан тыс қосылуы мүмкін. Бұл жағдайда болат санынан кейін «Г» әріпі түседі. Мысалы: ВСт3сп5, Ст2кп, БСт5Гпс және т.б.

Көміртекті конструкциялы сапалы болат қостаңбалы санмен белгіленеді. Бұл жерде көміртектің орташа деңгейі 100 – ден 1 лпайыздық мөлшерде көрсетілетін сан жазылады. (Мыс: У7, У8, У4).

Қоспаланған болатта негізгі қоспалар былай белгіленеді;

А – азот Е – селен Р – бор Ц – цирконий

Б – ниобии К – кобальт С – кремний Ю – алюминий

В – вольфрам М – молибден Т – титан

Г – марганец Н – никель Ф – ванадий

Д – мыс П – фосфор Х - хром

Болат маркасын анықтайтын саннан кейінгі әріптер элементтердің жобасын көрсетеді, ол сандар бүтін санға дейінгі дөңгелектеніп алынады. Егер болат құрамында қоспалаушы элементтер 1,5% кем болса, онда әріптен соң сандық таңба қойылмайды. Болат құрамында көміртегінің болуы марканың алдында пайыздың жүздік (конструкциялық болат) немесе ондық (инструментальді болат) бөлігінде көрсетіледі. Егер инструментальді қоспаланған болатта көміртегі мөлшері 1% және одан жоғары болса, онда марканың алдында мүлдем сан жазылмайды.

Маркадан кейінгі «А» әріпі болаттың жоғары сапалы көрсетеді, , ал егер осы әріп орта сапалы болатта таңбаласа, онда ол болат азотпен қоспаланған, марка алдында жазылған «А» болаттың жоғары өнімділігін көрсетеді – А35Г2. Маркадан бұрынғы «АС» индексі болаттың жоғары өнімділігін және қорғасын қосылғандығын көрсетеді.

Тез кесілетін болаттардың маркасында біріншіден «Р» әріпін келтіреді, сонан соң вольфрам пайызын көрсететін сандарды жазады. Барлық тез кесілетін болаттардың құрамында 4% Сr болады, сол есебінен маркаларын белгілеу кезінде «Х» әрібі жоқ.

Күрделі құрамды жоғары сапалы қоспаланды болатты кейбір кезде жәй ғана белгілейді – болаттың металлургиялық зайытынды өнімделген реттік саны. Реттік санының алдында «ЭП» немесе «ЭИ» («электросталь зауыты») индестері қойылады.

Қызуға төзімді және қызуға төзгіш негізінде темірникельді, никельді бар қорытпалардың маркаларын таңбалауы тек қана элементтерді әріптермен белгілейді, никельді қоспағанда, содан соң құрамында оның пайызбен есептегенде орташа құрылуы.

Құйлуға арналған болаттарды деформируемые сияқты белгілейді. Бірақ «Л» әрібі қосылады.

Қоспаланған элементтердің болаттың қүрамы құрылымына әсері

Болат – темірдің көміртектің (2,1%) және басқа да химиялық элементтердің қорытпасы.

Көміртекті болат құрамында арнайы қосылған қоспалаушы элементтер болмайды. Қоспаланған болат құрамында оны өндіру мен өңдеу барсында керекті құрылым мен құрамды қамтамасыз ету үшін арнайы реттеуші элменттер енгізеді. Қоспаланған болат құрамында жеке элементтер осы элементтердің қоспа күйіне қарағанда көбірек болады.

Қоспалаушы элементтер – болатқа арнайы енгізілетін химиялық элементтер: алюминий, кремний, титан, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, ниобий, молибден, вольфрам. Бор, азот, күкірт, кальций, селен, теллур, цирконий, тантал, қорғасынды және де басқа да сирек жерлік маталдарды сирек қолданады. Болатта қоспалаушы элементтер темірмен, көміртекпен және де өзара әрекеттеседі.

Қоспаланған элементтердің көбісі темірмен қосылқа түскен кезде орын басатын қатты ерітінділер түзеді, яғни қоспаланған феррит пен қоспаланған аустенит. Қорғасын және кальций темірде көбінесе ерімейді. Қоспаланған элементтер темірде ери отырып, полиморфтық айналудың температурасына әсер етеді. Әсер етуші қасиетіне байланысты 2 түрге бөлінеді: γ-обласында кеңеюші элементтер (марганец, никель, кобальт, мыс, азот) және γ-обласында тарылатын элементтер (алюминий, кремний, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан және т.б.).

Қоспаланған элементтердің көбісі болат құрамында кішкене мөлшерде болса, темірмен кристалдық торлары болатын, компоненттердің торларынан жақсысы интерметалдық қосылыстар түзеді. Интерметаллидтер әр түрлі қасиеттке ие, бірақ оларға жоғары беріктік пен сынғыштық тән.

Көміртекке қарағанда қоспаланған элементтер карбид түзбейтін ( алюминий, кремний, кобальт, никель, мыс, қорғасын) және карбид түзетін, яғни олардың көміртекпен ұқсастығы, беріктігі және карбидтардың төзімділігі және ыдырау төзімділігін келесі бейнемен жайғастыруға болады : Hf , Zr , Ti , Та, Nb, V, Мо , W, Cr , Mn , Fe .

Карбидтердің беріктігі бір – бірінде еру нәтижесінде немесе басқа элементтерде еру кезінде құрамдары өзгереді.

Орташа карбид түзушілер элементтері (Сr, Мо, W), қоспаланған цементит (FеМе)₃С немесе Ме₃С түзе кішкене мөлшерлерде цементитте ериді. Бірақ үлкен мөлшерлерде бұл элементтер болатта, цементитке қарағанда жақсы торлар болатын, арнайы карбид түзеді.

Күшті карбид түзушілер элементтері цементитте еш уақытта ерімейді және кішкене болаттың құрамында өздерінің арнайы карбидтерін немесе карбонитритридтерін түзеді (ТіС, VС, VСN және т.б.).

Болаттың металлургиялық сапасы(металды емес қосулар және болаттағы қоспалар)

Арнай болаттардың сапасы бастапқы материалдарға және қоспалардың құрамын және металды емес қосуларды, макро- және микро біртекті еместіктің құрамын, құрылымын, қасиетінанықтайтын, өндіріс технологияларына байланысты болып келеді.

Фазалық тепе – теңдік диаграммасына байланысты металл қатуы мен балқыма құрамы бойынша ерекшеленеді (балқыманың соңғы порциясы құрамы бойынша оңай балқитын эвтетикасына жақын болуы мүмкін). Кристалдар беттен кесектің осіне қарай өсетін болғандықтан, құрамы мен оның қимасында аймақтық ликвация деп аталатын айырмашылықтары болады. Ол екі күй диаграммасына тәуелді, қату жылдамдығы мен кристалдану нәтижесіндегі жылу бұру бағытына. Күкірт пен фосфордан басқалары аймақтық ликвацияда практикалық мәні аз. Күкірттің осьтік ликвацияснан сақтану үшін кальций мен РЗМ эвтетиканың оңай балқуы MnS-FeS, тығыз балқуы СаS және СеS, және де үздіксіз құюы кезінде электромагниттік араластыруды қолданылады.

Дендритті ликвацияны алдын алу үшін кристалл ішінде біртекті емес химиялық құрамының біртекті еместігі, олар прокаттың жолақты құрылымдар немесе карбидтік жолдар деген ақаулар тудырады. Балқымадан, кристалдану алдынан оның құрамын өзгертеді. Ол гомогенезациялық күйдірудің көмегімен бірдіндеп әлсізденген болуы мүмкін.

Металдық емес қосылуларға балқытып және құйылған кезде болатта пайда болған химиялық қосындылар. Қатардағы болаттарда олар көбінесе көлемінің V~ 10^-3 үлесін құрайды, ал нағыз тазасында көлемнің V~10^-4 үлесін құрайды. Металл емес қосулар дәннің өсу шегі, қирату процестеріне, болатта фазалық және құрылысты айналуына әсер етеді.

Қосулар эндогенді - химиялық реакция нәтижесінде балқытқан кезде пайда болған болат, және экзогенді – балқыту технологиясының бұзылу салдарынан ақаулардың пайда болуы.

Металды емес қосулар –күкірт, оттегі, азотпен болаттың қосылыс элементтері. Олар оттекті қосулар (тотықтар), сульфидті және нитридті деп бөлінеді.

Оттекті қосулар ең көп тарағаны. Көбіне олар болаттың тотығуы нәтижесінде пайда болады. Бірақ, экзогенді де бола алады.

Сульдидтік қосулар болаттың қатуы нәтижесінде пайда болады. Көбіне болаттан темір және марганец сульфидтері пайда болады.

Ең қауіптісі темір сульфиді, оның эвтетикасы Fe-FeS болатын, 975⁰С балқып, дән шекараларында қабықша түзеді. Болат ыстыққа сынғыш болып келеді. Болаттың ыстыққа сынғыштығын алдына алу үшін марганецтің болаттағы құрамы {Мn}:{S}>>40. . .50 пропорциясын қамтамассыз етуі MnS – марганец сульфидінің баяу балқуына алып келеді.

Нитридтер металды емес қосулар қатарына азот қалдықтары (0,008% кем емес) мен нитрид түзуші элементтерімен (алюминий, титан және т.б.), болат құрамына кездейсоқ 0,02%...0,03% мөлшерінде немесе ашытқылармен бірге енгізген кезде, қосылыс өнімін түзгенде ғана қалыптасады.

В.И.Явойский бойынша қосулар кесекте шығу жағынан келесідей топтастырылады:

- біріншілік – бастапқы балқымада болған кезде;

- екіншілік – балқыманы суыту кезінде пайда болады;

- үшіншілік – кристалдану нәтижесінде түзіледі;

- төртіншілік – темір құрамындағы қатты ерітіндіден қатудан кейін түседі.

Металл сапасы қосулардың көлемдік үлесіне, олардың өлшемдеріне, формаларына, прокатта біркелкі орналасуына тәуелді. Тепе – теңді негізді қосулардың өлшемдері – 0,01 мкм – ден 1...10мм –ге дейін жетеді. Болат қасиеттерінің қосулар өлшемдеріне тәуелділігі суретте бейнеленген.

Шығу тегі Әсер ету аймағы

10мм

Біріншілік 1мм нәзік сынғыш

Екіншілік 100мкм контактінің шаршауы

Үшіншілік 10 мкм тұтқырлы сынғыштығы

Тепе – теңді негізінде металды емес қосулардың пайда болуы және

Болат қасиетінің аймағына әсер етуі

Кесек аймақтарына біріншілік және екіншілік қосуларды орналастыру, жүзіп шығу жылдамдығымен, балқыманың конвекті ағындарымен, металды құю кезіндегі ағымға, оны араластырылуымен анықталады. Үшіншілік қочулар дендрит шамасында кристалдану орындарында орналасады, төртіншіліктің пайда болу орындары ерітінді құрамына дендриттің біркелкі еместігімен байланысты.

Прокат кезінде металды емес қосулардың пішіні мен өлшемдері тез арада өзгере алады. Макроскопиялық қосулар (шлакты, қабықшалы, кесек кеуектері және т.б.) ыстық прокатпен тегіс қылдай тартылады. Ол күш әсер ету мен шынықтыру нәтижесінде жарыслысқа әкеледі.

Қосулардың формасын өзгерту олардың ε_м:v=ε_вкл/ ε_м≤1ұзаруымен ε_вкл ұзаруын салыстырумен бағаланады. Ол әртүрлі құрамды қосулар үшін ерекшеленеді (суретте бейнеленген).

Керілген қосулар сол көлемдегі өте қауіпті, сондықтан микро қоспаланудың және балқытуды бақылаудың мақсаты – қосулардың пішінін өзгертпеу болып табылады.

Металды емес қосулар формасын өзертуіне байланысты үш классқа бөлінеді: формасын өзгертпейтін тотықтар, жолақ бойынша үгітілетін (Al₂О₃ корунды, кальций алюминаты СаО * Al₂О₃, Мg* Al₂О₃ шпинелі), пластикалық сульфидтер және силикаттар (SiО₂xCaO, SiO₂xFeO, SiO₂xMnO). Силикаттар төмен температурада нәзік, ал жоғары температурада – пішінін өзгерте алады.

Қоспалар деп болат құрамына, оның өндірісі барысында технологиялық қосымшалар немесе шихтаны құраушы материалдар, енетін химиялық элементтерді атаймыз. Олардың құрамы келесі шектермен әдетте шектеледі: Мn 0,8% дейін, Si 0,4% дейін, Cr 0,3% дейін, Ni 0,3% дейін, W 0,2% дейін, Mo 0,1% дейін, Cu 0,3% дейін, Р 0,025...0,04% дейін, S 0,015...0,05% дейін. Құйылған маркаларда қоспалар ретінде құрамында: 0,9% дейін Mn , 0,5% дейін Si , 0,06% дейін S және 0,08% дейін Р болады.

Химиялық элементтердің қоспаларға немесе қоспаланған элементтерге жатқызылуы, олардың саны мен болаттағы мәніне байланысты болып келеді. Шарт бойынша, маркалы химиялық құрамында қоспалар үшін ұстау жоғары шегі орналасқан. Бірақ, тұрақты қоспалар мөлшері (кремний мен марганец) қоспалар үшін және қоспалаушы элементтер үшін жоғары және төменгі шегімен шектеледі.

Қоспалар тұрақты, кездейсоқ және зиянды болып бөлінеді.

Тұрақты қоспалар болатқа балқыту процесі нәтижесінде, кеннен және материалды шихтовка кезінде тиеді. Көбінесе олар өндірістік болаттың барлық түрлерінде болатын - марганец пен кремний.

Болатта кездейсоқ қоспалар болып кеннің табиғи қоспаушыларынан немесе ашытқылардан, скраптан кездейсоқ болатқа тиіп кеткен кез келген элемент бола алады. Көбінесе оларға: Cr, Ni, Ti, W, Mo, Co, Al, Cu.

Зиянды қоспалар болатта күкірт, фосфор, мышьяк, сутегі, азот және оттегі саналады.

Қоспаланған болаттарды қолданудың экономикалық негіздеуі

Өндірістің кең масштабтарында және арнайы болаттарды қолдануда, қоспалаушы элементтердің құны, тапшылығы және қоспаланған болаттарды қолданудағы экономикалық эффективтілігінің мәні ерекше таңдауға тап болады. Осылайша, үлкен дүниежүзілік қор марганецті металлургия саласында ең арзан және кең қолданылатын элемент ретінде пайдаланады. Ванадий тапшы элементтердің бірі, қоспалаушы болаттар үшін қолданылатын материал ретінде, сонымен қатар әр түрлі мақсаттар үшін бұқаралық өндірісте қолданылады.

Кең қолданысқа ие болатын қоспалаушы элементтерді құнының артуына байланысты бір қатарға орналастыруға болады: Si, Mn, Cr, Ni, Ti, W, Mo, Co, V, Nb.

Болаттың түр – түрлі маркілердің көп болғанынан (өндірісте қоспалаушы болаттың 1500 маркілеріне жуығы қолданылады) және қолдану аймағына байланысты қоспалаушы болатты қолдану эффективтілігінің факторын анықтау, әр бірінде жеке жағдайда әртүрлі болады. Бірақ, қоспалаушы болаттың қолдануының техникалық және экономикалық мақсаттарын анықтайтын бірнеше ортақ факторды көрсетуге болады:

• Металдың жаңа эксплуатациялық және технологиялық қасиеттерін алу (мысалы, коррозияға беріктігі, ыстыққа тұрақтылық, пісірілудің және т.б.)

• Қажетті сенімділікті және ұзақтылықты қамтамассыз ету (салқынға төзімділікті, шаршауға қарсылық, және т.б.)

• Массаның азаюына

• Даярлауға кеткен шығындарды азайту, монтаж, тасымалдау, эксплуатация.

Қоспаланған болатты қолданған кезде бір мезетте айтылып кеткен факторлардың бірнешеуі пайдаланылады.

Нақты бір бұйым үшін немесе конструкция үшін болаттың әр түрлі маркілерін таңдау рационалды және экономикалық тиімді болып саналады, егер болатты минималды қоспалау нәтижесінде мақсатты конструктивті беріктік дәрежесін қамтамассыз етсе, ал қоспалау нәтижесінде материалдардың қымбатауы және өндірістің технологиялық өзгеруі экономикалық тиімділіктің айтылып кеткен факторлардың техника-экономикалық факторлардың қолданылуынан асып кетпесе.