Углеродистые и легированные стали (стр. 1 из 2)

Каталог

• Главная
• Техническая информация
• Металлы и сплавы
• Углеродистые и легированные стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые стали представляют собой сплавы железа Fe с углеродом C при неизбежном наличии примесей других химических элементов.

Легированные стали это тоже сплавы железа Fe с углеродом С, но с специально добавленными легирующими элементами ( хром, марганец, кремний, титан, ванадий и другие химические элементы.), придающими стали какие-то необходимые свойства. По назначению ( рис.1.31) углеродистые стали делятся на конструкционные и инструментальные.

По способу производства могут быть стали: мартеновские, конверторные, бессемеровские, томасовские, кислородно – конверторные и электростали.

Конструкционные стали различаются по качеству ( рис. 1.32):

С возростанием цифры в марке стали обыкновенного качества группы А ( табл.1.5) увеличиваются прочностьsв и твердость НВ, но снижается пластичность d и ударная вязкость стали ( рис.1.33). Это происходит за счет изменения химического состава, в первую очередь содержания углерода.

Таблица 1.5. Механические свойства сталей группы А.

для толщины в мм

для толщины в мм

Изгиб на 180° для

толщины до 20 мм

a — толщина образца, мм ; d — диаметр оправки

При разливке стали в ней может оставаться кислород, который удаляется непосредственно в сталеразливочном ковше:

Выделяющий при раскислении углекислый газ в виде воздушных пузырьков создает иллюзию « кипения» стали.

В зависимости от степени раскисления стали могут быть: кипящими ( КП),содержащими менее 0,05% Si; спокойными ( СП), содержащими до 0,15… 0,3% Si ; полуспокойными ( ПС). По стоимости кипящие стали ( Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп,Ст4кп) самые дешевые, но имеют порог хладноломкости на 30… 40% выше ( рис.1.34), чем стали спокойные ( Ст1сп, Ст2сп,…). Поэтому для ответственных сварных конструкций, особенно работающих при низких температурах в условиях Тюменского Севера, используют спокойные стали.

С повышением содержания углерода свариваемость сталей ухудшается, поэтому стали Ст5, Ст6 применяются для элементов строительных конструкций не подвергаемых сварке.

Стали группы Б различаются ( табл. 1.6) по химическому составу: БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5,.БСт6. С ростом цифры в марке стали увеличивается содержание углерода, кремния и марганца.

Естественно, что это приводит к увеличению прочности и пластичности и к снижению ударной вязкости.

Таблица 1.6 Химический состав сталей группы Б, %

Примечание: 1. В стали марки БСт0 — фосфора не более 0,07, серы — 0,06%. 2. Во всех марках стали, указанных в таблице, кроме БСт0, фосфора не должно быть больше 0,04%; серы — 0,05; хрома, никеля, меди — 0,3 каждого элемента; мышьяка — 0,08%.

Стали группы В нормируются как по химическому составу, так и по механическим характеристикам: ВСт1, ВСт2,ВСт3,ВСт4, ВСт5.

Стали обыкновенного качества выпускаются в виде проката: швеллер, труба, лист, пруток, балка и т. д. Углеродистые стали специального назначения ( мосто — и судостроения, сельскохозяйственного машиностроения). имеют дополнительные индексы, например, для мостовых конструкций используется сталь Ст3мост.

М — мартеновская, Б — бессемеровская сталь. Например, мартеновская спокойная сталь: МСт2сп. Спокойные стали имеют более высокие ударные вязкости и сопротивление динамического разрушения.

Качественные углеродистые стали подразделяются на две группы: с нормальным содержанием марганца (0 ,5кп, 0,8кп, …20, 25, …., 85.) и с повышенным (0 ,7 …1,2% Mn) содержанием марганца (15 Г, 20Г,…,70Г) и содержат меньшее количество серы S ( до 0,04%) и фосфора Р ( до 0,03%), чем стали обыкновенного качества.

Цифры в марках качественных углеродистых и легированных сталей означают сотые доли % содержания углерода в ней. По содержанию углерода в стали они делятся на низкоуглеродистые ( до 0,3% С), среднеуглеродистые (0 ,3…0,5% С) и высокоуглеродистые ( свыше 0,5% С).

Низкоуглеродистые стали 0,8кп, 0,5кп используются для листовой штамповки., а стали 10,15, …20,25 – для изготовления сварных конструкций.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 применяются для изготовления ( с нормализацией и поверхностной закалкой) деталей, подверженных большим нагрузкам, так, например, из сталей 45, 50 изготовляются коленчатые валы и другие ответственные деталей. автотракторных двигателей.

Высокоуглеродистые качественные стали 55, 60, 65 и 70 используются для изготовления деталей ( пружины, рессоры, зубчатые колеса и т. д.) с последующей их термической обработкой.

Высококачественные стали обозначаются буквой А в конце марки : У7А, У8А,…, У13А, они содержат еще более низкое по сравнению с качественными сталями количество серы S ( до 0,02%) и фосфора Р ( до 0,03%).

Инструментальные качественные углеродистые стали ( У7, У8, ….,У13) используются для изготовления режущего ( сверло, резец,…), измерительного ( линейки, калибры,…) и штамповочного инструмента. Цифра в марке инструментальных сталей показывает содержание углерода в десятых долях процента ( в других марках- сотые доли процента)

Легированные стали .

Углеродистые стали имеют недостаточную прочность, повышенную склонность к старению и низкую коррозийную стойкость, плохо прокаливаются, хрупки при низких температурах и т.д. Поэтому очень важно улучшить эксплуатационные характеристики сталей, получить стали с особыми свойствами, например, жаропрочные, нержавеющие и т.д. Это достигается изменением химического состава стали.

Сталь называется легированной , если в неё вводятся специальные ( легирующие) элементы, изменяющие её свойства ( табл. 1.7), или в ней имеется более 1% Si, или Mn. Эти легирующие элементы в буквенном виде включаются в марки сталей:

Классификация углеродистых сталей

Кроме классификации по структурным параметрам,их принято различать по технологии получения:

• электрические УС;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

По уровню раскисления подразделяют материал:

• спокойный;
• кипящий;
• полуспокойный.

По качеству, в соответствии с наличием и объемам вредных примесей железный сплав бывает:

• обычного качества;
• качественные стали.

По сфере использования УС бывают:

• обычные;
• инструментальные;
• конструкционные.

По наличию и объемам С в углеродистом железном сплаве материал классифицируют:

• высокоуглеродистые стали марки с содержанием С более 0,65%;
• среднеуглеродистые – от 0,25 до 0,6%;
• низкоуглеродистые стали марки с содержанием С до 0,25%.

Чем выше показатели углерода, тем тверже и прочнее материал, но и выше его хрупкость. Маркировка материала напрямую связана с его назначением:

• Обычного качества обозначают условным буквенным обозначением Ст. Далее следуют цифры от 1 до 7, которые показывают содержание С (углерода), кратное 10. Производства железных сплавов этой группы регламентирует ГОСТ380-85. Дополнительно эти материалы принято различать по группе поставок: А, Б и В. Это обозначение указывается перед маркой (группа А не указывается). Для А – стабильны механические свойства, для Б стабильны механический состав, для В стабильны свойства и состав.
• Конструкционные УС регламентирует ГОСТ380-88, маркировка осуществляется цифрами: от 08 и до 85. Эти цифры информируют о содержании С (углерода) в материале в сотых долях %. Если железный сплав характеризуется увеличенным содержанием марганца, в конце маркировки указывается Г.
• Инструментальные УС регламентирует ГОСТ1435-54 и 5952-51. Этот железный сплав относится к качественным, и маркируется буквой У. Далее следуют цифры, которые показывают объемы углерода в десятых долях %. Существует подгруппа высшего качества, в этом случае обозначение завершается буквой А. Им характерно повышенное содержание углерода.

В обозначении марки принято указывать степень раскисления: пс или кс.

Процент С в составе инструментальной стали обуславливается ее применение. У7 — для изготовления кузнечных молотов, штампов и зубил, У8 идет на изготовления инструментария для работы с камнем и металлом, У9 – оптимален для производства штемпелей и кернеров. Последующие модификации используют для выпуска полотен ножовок, сверл, плашек, резцов.

Что такое углеродистая сталь

Углеродистая сталь состоит из железа и углерода. Легирующие элементы присутствуют в следовых количествах. Некоторыми из этих элементов являются кремний, марганец, сера и фосфор. Углеродистая сталь также делится на две группы, как показано ниже.

• Высокая углеродистая сталь
• Низкоуглеродистая сталь

Благодаря высокому количеству углерода, присутствующего в углеродистой стали, он проявляет такие свойства, как твердость, меньшая пластичность, пониженная свариваемость и низкая температура плавления. Мягкая сталь относится к низкоуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,05 до 0,25%. Из-за высокого содержания железа он вызывает коррозию во влажных средах. Высокоуглеродистые стали содержат от 0,6% до 1,0% углерода. Эти высокоуглеродистые стали очень прочны. Поэтому в качестве строительных материалов используются углеродистые стали.

Рисунок 2: Углеродистая сталь, используемая в качестве строительного материала

Области применения

Любая сталь состоит из железа, углерода, примесей — но каждая марка разработана для решения определённых, иногда специфических задач. Характеристики материалов специализированы, и к выбору марки следует подойти ответственно. Стоит учесть, что:

1. Включение легирующих добавок расширяют спектр возможных применений металла, однако значительно повышает цену. Потому, выбирая марку, руководствуются не только улучшением характеристик металла, а ещё экономической целесообразностью, стоимостью добычи, дефицитностью легирующих элементов.
2. Свариваемость низкоуглеродистых сталей высока, а для легированных и высокоуглеродистых это – трудоёмкая операция, предполагающая квалификацию исполнителя.
3. У инструментальной углеродистой стали есть серьёзный минус – при нагревании она теряет твердость и режущую способность. Потому, если режущий инструмент нагревается, то предпочтительнее легированный металл. Многие легированные стали исключительны по своим свойствам, есть марки стали: магнитные, магнитотвёрдые, с повышенным электросопротивлением, жаропрочные, нержавеющие, окалиностойкие. Они незаменимы в авиационной, химической, военной промышленности.

Самой часто используемой сталью является — низкоуглеродистая обыкновенного качества, под маркировкой Ст. Она нужна в строительстве, в машиностроении, на производстве. Из неё производят:

• Крепёжные детали (Ст1)
• Листовое железо (Ст3, Ст2)
• Рельсы, кулачки (Ст6)
• Валы, оси, клинья (Ст5)
• Зубчатые колеса, фланцы (Ст3)
• Проволоку (Ст2)

В целом, углеродистые стали уступают по большинству показателей легированным, но достаточно надёжны, качественны, дёшевы, потому востребованы. Выбирая марку материала, стоит изучить справочную литературу, достоинства и недостатки конкретной марки, учесть множество других параметров, включая – условия эксплуатации, требуемые: жёсткость, ковкость, пластичность, цену, доступность. Выбрать одну сталь и сказать, что она идеальная невозможно – каждая из них хороша для своего случая.

Производство

Изготовлением металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика процесса получения углеродистой стали, заключается в переработке чугунных заготовок с уменьшением таких взвесей, как сера и фосфор, а также углерод, до требуемой концентрации. Различия методики окисления, посредством которой удаляют углерод, позволяет выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Основой методики был бессемеровский метод, который предусматривает продувку жидкого чугуна воздухом. Во время этого процесса, углерод окислялся и удалялся из сплава, после чего, чугунные слитки постепенно превращаются в сталь. Производительность данной методики высока, но сера и фосфор оставались в металле. Кроме того, углеродистая сталь насыщается газами, в том числе, азотом. Это улучшает прочность, но снижает пластичность, сталь становится более склонной к старению и изобилию неметаллическими элементами.

Учитывая низкое качество стали, получаемой бессемеровским методом, его перестали использовать. На замену пришел кислородно-конвертерный способ, отличием которого является использование чистого кислорода, вместо воздуха, при выполнении продувки жидкого чугуна. Использование определенных технических условий, при продувке, значительно снизило количество азота и других вредных примесей. В результате, углеродистая сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, по качеству приближена к сплавам, переплавляемым в мартеновских печах.

Технико-экономические показатели конверторного способа подтверждают целесообразность такой плавки и позволяют вытеснить устаревшие методы изготовления стали.

Мартеновский метод

Особенностью способа получения углеродистой стали, является выжигание углерода из чугунных сплавов не только с помощью воздуха, но и за счет добавления железных руд и ржавых изделий из металла. Этот процесс обычно происходит внутри печей, к которым подводят подогретый воздух и горючий газ.

Размер таких плавильных ванн очень велик, они могут вмещать до 500 тонн расплавленного металла. Температура в таких емкостях поддерживается на уровне 1700 ºC, а выжигание углерода происходит в несколько этапов. Сначала, благодаря избытку кислорода в горючих газах, а когда образуется шлак над расплавленным металлом, посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые, в дальнейшем удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства.

Плавка стали в мартеновских печах проходит около 7 часов. Это позволяет отрегулировать нужный состав сплава, при добавлении различных руд или лома. Углеродистая сталь давно изготавливается этим методом. Такие печи, в наше время, можно найти на территории стран бывшего Советского Союза, а также – в Индии.

Электротермический способ

Изготовить качественную сталь с минимальным содержанием вредных примесей, удается при плавке в вакуумных топках электродуговых или индукционных печей. Благодаря улучшенным свойствам электростали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Процесс преобразования сырья в углеродистую сталь, происходит в вакууме, благодаря чему качество полученных заготовок, будет выше, относительно рассмотренных ранее методов.

Стоимость такой обработки металлов дороже, поэтому данный метод используют при технологической необходимости в качественном изделии. Для удешевления технологического процесса используют специальный ковш, который разогревают внутри вакуумной емкости.

Что такое легированная сталь

Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

• неподверженность коррозии;
• упругость;
• тугоплавкость;
• прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

• хром;
• никель;
• молибден;
• вольфрам;
• медь.

Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.

Классификация

В группу низколегированных входят стали, которые различаются по:

• Химическому составу. Для легирования используют различные элементы, часто недефицитные, – никель, молибден, хром, алюминий, кремний.
• Термической обработке. Применяемые виды термообработки – закалка+отпуск, нормализация+отпуск, различные виды отжига.
• Свариваемости. Хорошей свариваемостью обладают марки с низким процентным содержанием углерода.

Список наиболее популярных марок низколегированных сталей:

• 09Г2С и альтернативные варианты – 09Г2, 09Г2Т, 09Г2ДТ, 10Г2С;
• 17Г1С;
• 10ХСНД и альтернатива – 16ГАФ.

К группе атмосферо-коррозионностойких стальных сплавов (АКС) относятся 10ХНДП, 15ХНДП, 15ХНДП, 15ХСНД, 0ХСНД.

Классификация

Все марки для производства подразделяются на следующие группы:

• теплостойкие и вязкие — обычно это заэвтектоидные и доэвтектоидные стали, включающие хром, молибден и вольфрам. Углерод в сталях должен соответствовать низким и средним значениям;
• высокотвердые и вязкие, а также нетеплостойкие — в сплавах содержится минимум легированных элементов, а также среднее количество углевода, отличающиеся малой прокаливаемостью;
• Высокотвердые и теплостойкие, а также износостойкие — это быстрорежущие легированные стали с большим содержанием легированных элементов, сплавы с ледебуритной структурой, в которых содержится более 3 процентов углерода;
• износостойкие, высокотвердые со средней теплостойкостью — материалы имеют заэвтектоидную и ледебуритную структуру, в их составе содержится примерно 2−3 процента углерода и 5−12 процентов хрома;
• высококачественная и качественная инструментальная сталь — отличаются друг от друга по процентному соотношению присутствия в них серы и фосфора;
• высокотвердые и нетеплостойкие — эти инструментальные стали с заэвтектоидной структурой вообще не включают в себя легированные элементы, или же они присутствуют в минимальном количестве. Уровень их твердости обеспечивается за счет большого количества углерода в составе.

Уровень твердости — очень важный параметр для рассматриваемого материала. Обычно высокотвердые стали не используют для производства инструментов, которые во время эксплуатации подвергаются ударным сильным нагрузкам. Это происходит за счет того, что эти сплавы имеют невысокую вязкость и большую хрупкость, из-за чего инструмент, которых из них сделан, может сломаться.

По уровню твердости данные стальные материалы бывают с высоким уровнем вязкости, где углерода содержится 0,4 -0,7% или же с большой износостойкостью и твердостью, где количество углевода равно 0,7−1,5%.

Отличаются стали и по степени своей прокаливаемости. По этому критерию они подразделяются на:

• изделия с повышенной прокаливаемостью, где диаметр прокаливания составляет от 80 до 100 мм;
• высокой — диаметр от 50 до 80 мм;
• низкой — от 10 до 25 мм соответственно.

Высоколегированные стали

Высоколегированные стали имеют повышенно содержание легирующих элементов – Cr и Ni (обычно не ниже 16% и 7% соответственно). Они придают таким металлам соответствующую структуру и необходимые свойства. Высоколегированные стали по сравнению с менее легированными обладают высокой хладостойкостью, коррозионностойкостью, жаропрочностью и жаростойкостью. Несмотря на высокие свойства этих сталей, их основное служебное назначение определяет соответствующий подбор состава легирования. В соответствии с этим их можно разделить на три группы: жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие.

После соответствующей термообработки высоколегированные стали обладают высокими прочностными и пластическими свойствами. В отличие от углеродистых при закалке эти материалы приобретают повышенные пластические свойства.

Структуры высоколегированных сталей очень разнообразны и зависят в основном от их химического состава, то есть от содержания основных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). Также на структуру влияет содержание других легирующих элементов-ферритизаторов (Mo, Ti, Si, Al, W, V) и аустенизаторов (Co, Cu, C, B).

Технология сварки высоколегированных металлов

Высоколегированные стали обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут индивидуальными. Это определит и различную технологию выполнения сварочных работ, направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой. Легирующие элементы – обозначение

Особенности сварки высоколегированных сталей определяются наличием у них характерных теплофизических свойств. Пониженный коэффициент теплопроводности сильно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий. Поэтому для уменьшения коробления нужно применять способы и режимы, отличающиеся максимальной концентрацией тепловой энергии.

При ручной дуговой сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной по ГОСТу марки имеют широкий допуск по химическому составу. Применением электродов с фтористокальциевым покрытием достигается получение металла шва с нужным химическим составом. Тип покрытия электродов для данной сварки диктует необходимость применения тока обратной полярности. Тщательная прокалка электродов способствует уменьшению вероятности образования в швах пор и вызываемых водородом трещин.

Газовая сварка высоколегированных сталей наименее благоприятна, для соединения этих кислотостойких сталей, которые подвержены значительной межкристаллитной коррозии. Такая сварка может использоваться для сваривания жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1…2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем мощностью 70…75 л/ч на 1 мм толщины. В сварных соединениях могут образовываться большие коробления.

Сварка под флюсом высоколегированных сталей толщиной 3…50 мм имеет большое преимущество перед ручной дуговой сваркой ввиду стабильности состава и свойств металла по всей длине шва. Это достигается отсутствием частых кратеров, образующихся при смене электродов, равномерностью плавления электродной проволоки и основного металла по длине шва, а также более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха.

При сварке под флюсом уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок выполняют на металле толщиной свыше 12 мм (при ручной сварке – свыше 3…5 мм). Типы флюсов предопределяют их использование для сварки постоянным током обратной полярности.