Лекция 5. Классификация и маркировка
Углеродистой стали и чугуна
План:
1. Влияние углерода и примесей на структуру и свойства стали.
2. Влияние способа раскисления на структуру и свойства стали
3. Классификация стали:
- сталь углеродистая конструкционная обыкновенного качества,
- сталь углеродистая конструкционная качественная,
- сталь углеродистая инструментальная.
Чугун серый, ковкий и высокопрочный
Влияние углерода и примесей на структуру и свойства стали
Сталь – это сложный многокомпонентный сплав. Основу его составляет железо. Вторым главным компонентом является углерод. Кроме этого в состав стали входят Mn, Si, P, S и другие примеси.
Влияние углерода на структуру стали мы видим при изучении диаграммы состояния Fe-Fe3C. В структуре стали мы наблюдаем две фазы – феррит и цементит. С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а количество цементита возрастает. Было отмечено, что феррит – мягкая, малопрочная фаза. Твёрдость цементита на порядок выше, это упрочняющая фаза. Поэтому с повышением содержания углерода п овышается твёрдость и прочность стали, а пластичность снижается. Это влияние особенно резко проявляется в процессе закалки стали. При содержании углерода до 0,3 % сталь практически не закаливается. При повышении содержания углерода твёрдость закалённой стали резко возрастает. Для каждой марки стали устанавливается строгий предел по содержанию углерода, что и является главным отличительным признаком маркировки стали.
Марганец. Во всех марках стали присутствует марганец. Его содержание обычно находится в пределах 0,25 … 0,8 %. В этом случае марганец называется обычной примесью. Его присутствие объясняется технологией раскисления стали, цель которого – превратить растворимый в стали FeO в нерастворимый MnO и таким образом перевести кислород из стали в шлак. На заключительной стадии плавки в сталь вводят ферромарганец:
FeO +Mn→MnO+Fe.
Марганец, не израсходованный в этой реакции, остаётся в составе стали в вышеназванных пределах. Марганец уменьшает вредное влияние серы, образуя MnS, упрочняет феррит, растворяясь в нём, частично образует карбид Mn3C, не отличимый под микроскопом от цементита.
Кремний также является обычной примесью. В стали, раскисленной ферросилицием: 2FeO+Si→SiO2+2Fe остаточная концентрация кремния 0,17…0,37 %. Растворяясь в феррите, кремний упрочняет его, повышает упругие свойства.
Сера является вредной примесью, делает сталь хрупкой в горячем состоянии (красноломкость). Поэтому с серой, попадающей в металл с коксом, ведут борьбу на всех стадиях металлургического передела. Содержание её в стали ограничивается сотыми долями процента. Исключение составляют автоматные стали с содержанием серы до 0,2 %, предназначенные для изготовления неответственных мелких деталей на станках-автоматах. Такая сталь хорошо обрабатывается.
Фосфор, присутствующий в каждой стали, также является вредной примесью. Его источником является железная руда. Растворяясь в феррите, фосфор делает его хрупким при низких температурах (хладноломкость), поэтому содержание фосфора в стали ограничивается сотыми долями процента. В автоматных сталях содержание фосфора до 0,1 %, чем достигается улучшение обрабатываемости стали при изготовлении мелких неответственных деталей.
Скрытые примеси – кислород, азот, водород находятся или в виде твёрдого раствора в феррите, или в виде нитритов и оксидов, или в свободном состоянии в порах и пузырьках. Это вредные примеси, в химическом составе стали они не указываются.
Влияние способа раскисления на структуру и свойства стали
Сталь, полностью раскисленная с помощью раскислителей, называется спокойной. В этом случае в жидкую сталь перед разливкой последовательно по нарастающей активности вводят ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Элементы-раскислители восстанавливают железо из оксида FeO, растворимого в стали и ухудшающего её качество. Образовавшиеся оксиды MnO, SiO2, Al2O3 в стали не растворяются и всплывают в шлак.
Кипящая сталь раскисляется только ферромарганцем, в результате в стали остаётся значительная концентрация FeO. В жидкой стали идёт реакция FeO+C→↑CO+Fe. Это тоже реакция раскисления, но не за счёт Si и Al, а за счёт углерода, содержащегося в стали. Реакция продолжается в ковше, в изложницах до полного затвердевания стали. Выделяющиеся на поверхности жидкой стали пузырьки CO создают впечатление её кипения. Отсюда и название – кипящая сталь.
На рис.24 изображены в разрезе слитки кипящей и спокойной стали.
Рис. 24. Слитки стали в разрезе:
а – кипящая; б – спокойная.
Пузырьки CO, не всплывшие на поверхность стали к моменту её затвердевания, остаются в структуре слитка. В процессе последующей горячей обработки давлением пузырьки завариваются. Преимущества кипящей стали: 1) повышенная пластичность (штампуемость), т.к. отсутствует кремний, снижающий пластичность феррита; 2) сталь содержит меньше неметаллических включений – отсутствуют продукты раскисления SiO2 и Al2O3; 3) сталь дешевле за счёт уменьшения расхода раскислителей и сокращения отходов при дальнейшей обработке слитка (отсутствует усадочная раковина). Кипящая сталь производится в виде прутков и листов, предназначенных для холодной штамповки. Слиток спокойной стали имеет плотное тело, в головной части расположена усадочная раковина – результат усадки стали в процессе кристаллизации (в кипящей стали усадка компенсирована газовыми пузырьками). В процессе дальнейшей обработки слитка эта его часть отрезается.
Спокойной выплавляется сталь со средним и повышенным содержанием углерода, легированная сталь, когда нет гарантии в том, что газовые пузырьки бесследно заварятся.
Полуспокойная сталь раскисляется марганцем и аллюминием и занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью.