6.Углеродистые стали.

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем, 90% изготавливается, углеродистой стали, а 10% легированной.

Углеродистая сталь помимо основы (железа и углерода) содержит постоянные примеси (Si, Mn, P, S, O₂, N₂, H₂) и случайные примеси (хром, никель, медь). Некоторые примеси (Mn, Si) необходимы в стали по условиям технологии её выплавки. Вредные примеси (S, P) не поддаются полному удалению.

Влияние примесей на свойства сталей.

Кремний - раскисляет сталь и растворяясь в феррите, повышает его упругость и жесткость.

Марганец - упрочняет феррит, образуя карбид Mn₃С, повышает механические свойства стали, увеличивает ее прокаливаемость и устраняет вредное действие серы.

Сера - вредная примесь, приводит к красноломкости стали (повышенной хрупкости в горячем состоянии при ковке и прокатке), понижает сопротивляемость стали к истиранию и усталостному разрушению, уменьшает химическую стойкость.

Фосфор - вредная примесь, увеличивает хрупкость при нормальной температуре (хладоломкость), понижает ударную вязкость стали.

N₂ и О₂ - понижают ударную вязкость и увеличивают порог хладноломкости.

Н₂ - если его немного он выделяется из металла, но если представлен в большом количестве - приводит к внутренним надрывам в металле.

Классификация, маркировка и применение углеродистых сталей.

Стали классифицируют по:

• химическому составу;

• структуре;

• способу производства;

• качеству;

• назначению;

• раскислению.

По структуре: малоуглеродистые (до 0,3% углерода), среднеуглеродистые (0,3 …0,65% С) и высокоуглеродистые (более 0,65% углерода).

По способу производства: в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конверторным способом.

По способу раскисления: кипящие, полуспокойные, спокойные.

По качеству: обыкновенного качества (серы  0,06 %, фосфора  0,04 %), качественные (серы < 0,04%, фосфора < 0,04%), высококачественные (серы < 0,03%, фосфора < 0,03%).

По назначению: конструкционные и инструментальные.

Конструкционные - строительные (малоуглеродистые) и машиностроительные (мало- и среднеуглеродистые).

Инструментальные - для изготовления режущего, измерительного и штампового инструмента.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71). Изготовляют в крупных мартеновских печах и кислородных конверторах.

Обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6.

Ст - сталь, цифры - номер марки стали в зависимости от ее химического состава.

В конце обозначения ставят буквы: "кп" - кипящая;

"пс" - полуспокойная;

"сп" - спокойная.

Качественные углеродистые стали. (ГОСТ 1050-88). Изготовляют в электропечах, кислородных конверторах, мартеновских печах.

Маркируют двухзначными цифрами: 05, 15, … 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывают степень раскисляемости "кп", "пс". В случае спокойной - не указывается.

Высококачественные стали бывают не углеродистые, а легированные, в конце марки добавляют букву А (например У10А).

Если углерода > 2,14% - чугун.

Легированные стали

Сталь содержащая, кроме постоянных примесей (марганец, кремний) один или несколько специальных элементов или повышенные концентрации марганца, кремния более 1%, называется легированной. В качестве легирующих примесей используют: хром, никель, вольфрам, марганец, титан, кобальт и т.д.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

Хром - увеличивает твердость и прочность, увеличивает прокаливаемость стали, увеличивает сопротивляемость коррозии, при содержании хрома более 13%, сталь становится нержавеющей. Хром увеличивает жаропрочность, изменяет магнитные свойства стали.

Никель - придает прочность, высокую пластичность, вязкость. Его используют в значительных количествах когда необходимо получить немагнитную сталь и сталь с повышенной антикоррозионной стойкостью. Для легирования инструментальных сталей никель не применяется.

Вольфрам - увеличивает твердость стали и придает ей красностойкость (способность сохранять твердость при высоких температурах). Его вводят в инструментальные и быстрорежущие стали.

Ванадий - увеличивает твердость, способствует образованию мелкозернистой структуры, увеличивает упругость и сопротивление усталости (добавляется в инструментальные стали).

Молибден - увеличивает твердость и прочность при повышенных температурах. Способствует глубокой прокаливаемости стали, придает мелко- зернистость (добавляется в конструкционные, инструментальные и жаропрочные стали).

Марганец - увеличивает прочность, и твердость стали, сильно увеличивает глубину ее прокаливаемости, придает стали износостойкость, и магнитоустойчивые свойства.

Кремний - увеличивает кислотостойкость, жаропрочность, электрическое сопротивление и магнитную проницаемость.

Алюминий - добавляется для увеличения твердости азотируемой стали. Сталь с 5-6% алюминия приобретает окалиностойкость.

Классификация, маркировка и применение легированных сталей.

Легированные стали делятся по: назначению, химическому составу, по структуре.

По назначению:

1). Конструкционные - изготовление деталей, машин конструкций (работающих в условиях обычных и повышенных температур, окалиностойкие, высокие механические свойства).

2). Инструментальные стали (3 вида: для режущего инструмента, для штампов, для измерительного инструмента). Должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

3). Стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, с высоким электрическим сопротивлением, электротехнические, с особым тепловым расширением, магнитные, для работы при высоких температурах (жаропрочные и жаростойкие).

По химическому составу:

а) в зависимости от количества одновременно находящихся легирующих элементов: тройные, четверные и сложнолегированные.

б) от основных легирующих элементов: хромистые, марганцовистые, хромо марганцовистые и др.

в) в зависимости от общего содержания легирующих элементов: низколегированные (не больше 3%), среднелегированные (3  10 %), и высоколегированные (больше 10%).

г) в зависимости от химического состава и свойств конструкционная сталь делится на качественную, высококачественную и особо высококачественную.

По структуре в отожженном состоянии: доэвтектоидные (свободный феррит) и заэвтектоидные (ледебурит).

По структуре после охлаждения: керметная, мартенситная, аустенитная.

Маркировка

Легированные элементы обозначают буквами: Х - хром, Н - никель, В - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, Г - марганец, С - кремний, К - кобальт, Ц - цирконий, Р - бор, Б - ниобий. Буква "А" в середине марки - содержание азота, в конце - сталь высоколегированная.

Для конструкционных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Например:

18ХГТ

0,18% углерод, марганец -1%, хром -1%, титан -0,1%.

Около 1% легирующих элементов цифра не ставится.

Например:

03Х13АГ19 - 0,03% углерод, 13% - хром, азот, 19% марганец.

Для некоторых групп применяют дополнительные обозначения.

Автоматные стали с А, подшипниковые - с Ш, быстрорежущие - с Р, электротехнические - с Э, магнитотвердые - с Е.