2. Сортамент электростали

Электрометаллургия занимает особое место в структуре производства стали, т.к. связана с выплавкой высококачественной и высоколегированной стали. В основном сортаменте электростали находятся: стали (сплав, содержащий более 50% железа) и сплавы (сплав, в котором железа менее 50% или нет вообще). Сортамент электростали насчитывает несколько сотен марок и зависит от назначения стали, требований, которые предъявляются к металлам промышленностью по составу, свойствам и содержанию нежелательных примесей, цветных металлов, водорода, бора, азота, фосфора, серы. Сортамент электрометаллургии удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым различными отраслями промышленности: космической и криогенной техники, ракетостроения, ядерной энергетики, электротехнической и химической промышленности и т.д.

Сталь плавят в соответствии с :

• ГОСТами

• Техническими условиями (ТУ)

• Определенными требованиями потребителя (в частности, по химическому составу, способу выплавки и внепечной обработки)

Стали и сплавы различных марок, выплавляемые по техническим условиям, имеют заводские обозначения, содержащие начальные буквы предприятий и порядковый номер, например, ЭИ-395, ЭП-598, Д16 (Э - электросталь, Д – днепроспецсталь, И – исследовательская, П - пробная).

Часто по требованию заказчика указываются особенности, которые должны быть выполнены при выплавке стали, например, максимальные значения по вредным примесям, уменьшение предела по конкретным элементам, вид продукции – слиток определенного размера, сляб либо литая заготовка определенного сечения и др.

Обозначение марки легированной стали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в ее состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание:

А - азот Ю - алюминий Р - бор Ф - ванадий В - вольфрам К - кобальт	С - кремний Г - марганец Д - медь М - молибден Н - никель Б - ниобий	С - селен Т - титан У - углерод П - фосфор Х - хром Ц - цирконий

Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей). Затем буквой указан легирующий элемент. Цифрами, следующими за буквой, — его среднее содержание в целых единицах. При содержании легирующего элемента менее 1,5%, цифры за соответствующей буквой не ставятся. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной. Буквой Ш — особо высококачественной.

Весь сортамент можно разделить на несколько групп.

Первая группа сталей – инструментальные стали.

Эти стали применяются для изготовления инструментов. Основные требования, предъявляемые к ним - высокая твердость и износоустойчивость, поэтому они должны содержать от 0,6 до 1,4% углерода и различные легирующие элементы – молибден, вольфрам, ванадий и др. В последние годы непрерывно сокращается применение сравнительно простых по составу инструментальных сталей (углеродистых и легированных одним или двумя элементами) и увеличивается использование сложно- и высоколегированных, обладающих повышенными твердостью и прочностью, износостойкостью, теплостойкостью, коррозионной стойкостью. К числу инструментальных сталей специального назначения относятся быстрорежущие стали, которые используются главным образом для изготовления металлорежущего инструмента, предназначенного для резания с высокими скоростями, для изготовления тяжелонагруженных штампов холодного выдавливания и других деталей. Высокие режущие свойства инструмента обеспечиваются за счет твердых карбидов W, Mo, V, Cr и интерметаллидов типа (Fe,Co)₇W₆ , (Fe,Co)₂W в стали. Основные марки и состав быстрорежущих сталей приведен в таблице (по Справочнику «Машиностроительные стали» издательство «Машиностроение», 1983 г. )

Химический состав быстрорежущих сталей Р18 и Р6М5

Марки	ГОСТ	Химический состав, (%)
		S	P	C	W	Mo	Cr	V
		не более
Р18	14256-73	0,03	0,035	0,7-0,8	17,5-19,0	-	3,8-4,4	1,0-1,4
Р6М5	14256-73	0,025	0,035	0,8-0,88	5,5-6,5	5	3,8-4,4	1,7-2,1

Буква «Р» в марке стали в данном случае указывает класс – быстрорежущая сталь, следующая цифра – содержание вольфрама в %, буква «М» обозначает молибден и его среднее содержание в %.

Вторая группа сталей – конструкционные стали. Основное назначение – для изготовления деталей машин и конструкций, работающих в различных условиях. К этой группе относятся стали пружинные, стали для лопаток турбин и ряд других сталей. Главная их характеристика – сочетание прочности и пластичности . В электропечах выплавляют в основном легированные конструкционные качественные и высококачественные стали. Принадлежность к классу качественного и высококачественного металла определяется содержанием вредных примесей, в первую очередь серы и фосфора. Количество этих примесей должно быть не более 0,025-0,04% каждого.

Углеродистые стали характеризуются низкой прокаливаемостью, в связи с чем для них высокие механические свойства после термической обработки могут быть получены только в поверхностном слое. Для получения необходимой структуры и увеличения прокаливаемости сталей в них вводят Cr, Ni, Mo, W, Mn, Si, V и другие легирующие элементы.

Содержание углерода в сталях зависит от назначения и колеблется от 0,05 до 0,65%. Например, пружинная сталь содержит от 0,6 до 1,2% С, до 3% Si, до 1% Mn, до 1% Cr; авиационная сталь 18Х2Н4ВА содержит по ГОСТу 4573-71 : 0,14-0,20% С, 1,25-1,65% Cr, 4,0 – 4,4 % Ni, 0,8-1,2% W, не более 0,025 % P ; сталь 30ХГСА 0,28-0,32% С, 0,9- 1,1% Cr, 0,9-1,1% Ni, 0,9-1,1 % Si, 0,9-1,1 % Mn, P и S не более 0,025% каждого.

3 группа – подшипниковые стали – используются во всех современных машинах для опор вращающихся валков и осей. Основным требованием, предъявляемым к подшипникам, является их долговечность, которая часто определяет ресурс изделий. Эти стали чистые по содержанию P, As, Sn, Pb, O, N и H - примесей, понижающих износоустойчивость и ухудшающих пластичность и вязкость. Особенно вреден кислород, способствующий образованию оксидных включений, которые резко снижают износостойкость и усталостную прочность стали и вызывают преждевременное разрушение подшипников вследствие выкрашивания. Менее вредна сера. Сульфидные включения, в отличие от оксидных, обладают высоким коэффициентом термического расширения, близким или несколько большим, чем коэффициент термического расширения стали, поэтому они не создают значительных термических напряжений. Необходимую прочность обеспечивает содержание углерода (около 1%) и хрома (1-1,5%).

Химический состав некоторых подшипниковых сталей (%)

(по ГОСТ 801-78)

Марка	C	Cr	Mn	Si	S	P	Ni	Cu
					не более
ШХ15	0,95-1,05	1,35-1,65	0,2-0,4	0,17-0,37	0,02	0,027	0,30	0,25
ШХ9	0,95-1,05	0,80-1,10	0,2-0,4	0,17-0,35	0,02	0,027	0,30	0,25
ШХ15СГ	0,95-1,05	1,35-1,65	0,9-1,2	0,4-0,65	0,02	0,027	0,30	0,25

По последним рекомендациям к свойствам подшипниковой стали суммарное содержание меди и никеля не должно превышать 0,5%. Буква «Ш» означает шарикоподшипниковая сталь, Х – содержание хрома, С,Г – содержание кремния и марганца соответственно.

4 группа - коррозионностойкие стали.

К ним относятся стали, которые используются для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах (химическая промышленность, пищевая промышленность и др.) От этих сталей требуется высокая сопротивляемость коррозии или окалинообразованию.

По сопротивлению коррозии они делятся на три группы :

1. кислотостойкие (нержавеющие) – противостоящие коррозии при обычных температурах

2. жаростойкие – противостоящие высокотемпературной газовой коррозии

3. жаропрочные – сохраняющие при высоких температурах не только стойкость, но и прочность (стойкость против ползучести).

По фазовому составу коррозионностойкие стали разделяются на классы:

1. ферритного класса – хромистые стали

2. аустенитного класса – хромоникелевые стали

3. аустенитно-ферритного класса – низконикелевые стали

Основным элементом, предохраняющим сталь от коррозии, является хром. При содержании более 11,7% он образует плотную защитную пленку, непроницаемую для кислорода. Углерод в коррозионностойкой стали является нежелательной примесью. При содержании в металле более 0,02% углерода сталь проявляет склонность к межкристаллитной коррозии (ММК) при сварке (нагрев до 500-800°С) в связи с выделением карбидов хрома Cr₂₃C_6, что обедняет границу зерна, удаляя хром из защитной пленки, вызывает коррозию. Для предотвращения вредного влияния избыточного углерода его связывают в более прочные карбиды, чем карбиды хрома, легируя сталь титаном, ниобием.

Наибольшее распространение получили коррозионностойкие стали аустенитного класса, в которые вводят никель, марганец, азот для образования структуры аустенита (аустенит- твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе, имеет ГЦК – решетку, с металлами образует твердые растворы замещения).

Химический состав некоторых марок стали

(по ГОСТ 5632-72)

Марки	С н.б.	Cr	Ni	Ti н.б.	N н.б.	Mn	S	Р
12Х18Н10Т	0,12	17-19	9-11	0,7	-	2,0	0,02	0,035
08Х18Н10Т	0,08	17-19	9-11	0,7	-	2,0	0,02	0,035
03Х18Н11	0,03	17-19	10-12	-	-	2.0	0,02	0,035
10Х14АГ15	0,10	13-15	-	-	0,12-0,2	13-15	0,02	0,035

В сталь 03Х18Н11 титан вводить не нужно, т.к. содержание углерода в стали на уровне растворимости и карбидов хрома не образуется. К такому низкоуглеродистому относятся и стали ферритного класса, типа 03Х17 – так называемая суперферритная сталь. В этих сталях суммарное содержание углерода и азота не более 0,015%.

5 группа – электротехнические стали (трансформаторная сталь) – кремнистая сталь с содержанием кремния от 1 до 4% с ферритной структурой, которые идут на изготовление деталей и частей электрических машин и устройств, работающих в переменном магнитном поле (сердечники трансформаторов, дросселей, якорей, статоров и т.д.) и являются типичными магнитными материалами с высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и малыми магнитными потерями при перемагничивании. Все элементы в этой стали, кроме кремния, являются примесями. ГОСТ не оговаривает химический состав. На практике слиток содержит менее 0,05% углерода, 0,06% хрома, 0,012% фосфора, 0,006% серы, в готовом листе содержание углерода на уровне 0,005%.

Для успешного развития электротехники необходимы мощные и сверхмощные силовые трансформаторы, на изготовление которых расходуется сталь с низкими удельными ваттными потерями (в листе толщиной 0,35 мм Р_1/50=0,4-0,45 Вт/кг и Р_1,5/50=0,9-1,05 Вт/кг, индукция В₂₅=1,9-1,95 Тл).

Трансформаторная сталь содержит 2,8-3,2% Si и относится к ферритному классу. Вредными для этой стали являются аустенитобразующие элементы, расширяющая область гамма-фазы: марганец, никель. Ухудшают ее свойства и карбидообразующие элементы: титан, хром, вольфрам, молибден, ванадий. Единственным полезным элементом является кремний, поскольку он сужает область гамма-фазы.

Химический состав трансформаторной стали для марок Э411-Э416, %:

<0,04 C 2,9-3,2 Si <0,12 Mn <0,05 Cr 0,1 Ni

<0,15 Cu <0,01 Ti <0,012 P <0,005 S

Для получения высоких электромагнитных свойств, отвечающих марке Э415, необходимо в процессе плавки и передела обеспечить в готовой полосе минимальное содержание примесей, %:

С	Mn	P н.б.	Cr н.б.	Ni н.б.	Ti н.б.	N н.б.	S н.б.	O н.б.
0,002-0,005	0,05-0,1	0,01	0,04	0,1	0,01	0,002	0,002	0,005

6 группа – прецизионные сплавы – сплавы с особыми физическими свойствами. К ним относятся следующие:

• магнитные сплавы – магнитомягкие сплавы (например, сплав железа с 45% никеля - пермалой, или сплав железа с 50% кобальта и 1,5% ванадия - пермендюр); магнитотвердые сплавы, идущие для изготовления постоянных магнитов (альни – сплавы железо-никель-алюминий, содержащие 20-25% никеля и 11-13% алюминия, альнико – содержащие 15-20% никеля, 20-25% кобальта, 9-11% алюминия, 4-5% меди, углерода не более 0,05%)

• сплавы с большим сопротивлением – для изготовления нагревательных элементов (нихромы, содержащие 65-80% никеля, 10-30% хрома, а также кремний, алюминий, редкоземельные металлы, фехраль Х13Ю4 , содержащая 12-25% хрома, 4-7% алюминия, до 1% кремния, до 0,7% марганца)

• термоэлектродные, содержащие 28,5-29,5% никеля, 17-18% кобальта и железо

• сплавы с заданным коэффициентом расширения (ковары должны иметь точный химический состав, углерода содержат не более 0,02%). В качестве легирующих используют различные элементы. Используются в электровакуумных приборах

• никелевые жаропрочные сплавы. Они легируются элементами, образующими интереметаллидные фазы Ni₃Ti и Ni₃Al – очень устойчивые и мелкодисперсные. Типичный представитель – сплав ХН77ТЮР, где никель – основа, хрома 19-22%, титана 2,3-2,7%, алюминия около 1%, может быть введен бор до 0,02%, углерода не более 0,06%. Сплав идет на изготовление поковок – дисков и лопаток турбин.