Углеродистые стали, их свойства, способы производства и применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Способы производства

Классификация углеродистых сталей

Стали обыкновенного качества

Качественные конструкционные углеродистые стали

Инструментальные качественные углероды

Автоматные стали (конструкционные)

Заключение

Список литературы

Введение

Наукой, устанавливающей связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающей закономерности их изменений при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях называется металловедением. Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называются черными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными. Наибольшее применение нашли черные металлы.

В конце XIX и начале XX века основными конструктивными материалами являлись металлические материалы (стали, чугуны, сплавы на основе алюминия и меди). В последние десятилетия материаловедческая наука была связана не только с совершенствованием традиционных металлических материалов, но и с созданием принципиально новых классов конструкционных материалов.

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90% изготавливается углеродистой стали и только 10% легированной. Таким образом, основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь. Это связано с тем, что они обеспечивают удовлетворительное сочетание эксплуатационных свойств с хорошей технологичностью, т.е. относительно малыми затратами при обработке давлением, резанием и сварке. Кроме того, эти стали относительно дешевле.

Таким образом, целью данной работы является изучение и краткое изложение полученной информации о углеродистых сталях, их свойствах, способах производства и их применении в быту человека. Задачами являются поиск и изучение литературных источников по теме «Углеродистые стали», изучение графиков и таблиц.

производство применение конструкционная углеродистая сталь

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Углеродистая сталь промышленного производства - сложный по химическому составу сплав. Кроме основы - железа, содержание которого может колебаться в пределах 97,0 - 99,5%, в ней имеется много элементов (примесей), наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными обстоятельствами (хром, никель, медь и др.). В зависимости от способа выплавки стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей.

Углерод же вводится в простую углеродистую сталь специально. Он сильно влияет на свойство стали даже при незначительном изменении его содержания. С увеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8% углерода, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8% углерода, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8%, то структура стали состоит из феррита и перлита. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Существенно и влияние углерода на вязкие свойства, увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т.е. при температурах выше порога хладноломкости).

Марганец, кремний, фосфор, сера, водород, азот, кислород - постоянные примеси в том или ином количестве присутствующие в технических сортах стали и влияющие на ее свойства.

Марганец вводится в любую сталь для раскисления, т.е. для устранения вредных примесей закиси железа. Он также устраняет вредные сернистые соединения железа, растворяется в феррите и цементите. Марганец повышает прочность в горячекатаных изделиях. Т.к. содержание марганца во всех сталях примерно одинаково, его влияние на сталь разного состава остается примерно постоянным.

Кремний, как и марганец, раскисляет сталь. Он полностью растворяется в феррите, кроме той части, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. При выплавке стали в основных мартеновских печах из металла удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавляемая в основной мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02-0,04%), а в электропечи менее 0,02%. Более высокое содержание фосфора повышает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладноломкость стали. Но в отдельных случаях фосфор желателен, т.к. он облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом.

Сера попадает в металл из руд, а также из печных газов - продукт горения топлива. В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электронной печи сера удаляется из стали. Обычно содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02-0,03%. Для стали обычного качества допускают более высокое содержание серы: 0,03-0,04%. Обработкой жидкого металла синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0,005%. Сера нерастворима в железе и любое ее количество образует с железом сернистое соединение - сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующейся при 988?C.

Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800?C и выше, т.е. в районе температур красного каления. Серу считают вредной примесью в стали, но, как и фосфор, она облегчает обрабатываемость резаньем.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства. Содержания этих элементов в стали определяют, расплавляя в вакууме пробу металла и измеряя количество газов, выделившихся из жидкого металла (Таблица № 1).

Таблица № 1

Если водорода в металле много, то это может привести к чрезвычайно опасным внутренним надрывам в металле - флокенам. Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла. Т.к. содержание этих газов невелико, то их влияние на многие другие свойства незаметно. Однако они сильно влияют на вязкие свойства, уменьшают ударную вязкость и резко повышают порог хладноломкости.

Способы производства

В металлургии применяют различные способы производства стали. Как известно сталь производят (выплавляют) в различных печах. В соответствие с этим сталь подразделяют на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь. Самый прогрессивный способ получения стали - конверторный (продолжительность плавки - 30-60 мин.). Длительность мартеновской же плавки до 11 часов.

В бессемеровском конверторе жидкий чугун продувают воздухом, кислород воздуха соединяется с примесями в чугуне, в том числе с углеродом, и чугун превращается в сталь. Этот способ очень производителен, но при нем сера и фосфор не удаляются в достаточной степени (Таблица № 2), а металл насыщается газами, особенно азотом. Бессемеровский металл вследствие повышенного содержания газа, в первую очередь азота, отличается от мартеновской большей прочностью, но меньшей пластичностью, склонностью к старению, большей загрязненностью неметаллическими включениями.

Кислородно-конверторный способ отличается тем, что вместо воздуха используют технически чистый кислород с очень малым загрязнением азотом. В результате этого содержание азота в металле будет низким. Такой металл называется конверторным, и по свойствам он практически не отличается от мартеновского.

При конверторном и мартеновском способах производства подбором соответствующих шлаков и режимов ведения плавки можно удалить в значительной степени серу и частично фосфор. В зависимости от состава шлаков (основных (CaO и MgO) и кислых (SiO2) окислов) футеровка печи должна быть или основной (магнезит или хромомагнезит) или кислой (динас), чтобы избежать реакции между футеровкой и шлаком. Если шлак имеет основную реакцию, т.е. в избытке имеются окислы CaO и MgO, то он удаляет из металла большую часть фосфора и часть серы. Значит, при сравнительно не очень чистой шихте металл в основной мартеновской печи получается достаточно чистым по сере и фосфору, хотя и более насыщенным кислородом. При кислом процессе в шлаке имеется избыток кремнистая кислота SiO2, при наличии которой сера и фосфор из металла не удаляются, но насыщение металла кислородом происходит в меньшей степени. Поэтому для кислого мартеновского процесса требуются чистые по сере и фосфору исходные материалы, и если это обеспечено, то металл получается лучшего качества, т.к. содержит меньше кислорода.

Удаление из металлов серы, фосфора и кислорода достигается в наибольшей степени в электропечах (дуговых или индукционных). Будучи более дорогой, электросталь является и более качественной. Т.к. практически полное отсутствие газов и связанное с этим улучшение свойств достигаются при плавке в электрических индукционных печах в вакууме, то стали и сплавы для наиболее ответственных назначений производят этим способом. Установки для вакуум-плавки очень сложны. Практически такие же результаты по содержанию газов и наличию неметаллических включений имеет сталь, выплавленная в обычных условиях, но затем помещенная в вакуум. Этот способ дешевле, чем выплавка в вакууме.

Таблица № 2

В зависимости от способа раскисления стали подразделят на:

спокойную сталь (сп), раскисленную марганцем, кремнием и алюминием;

кипящую сталь (кп), раскисленная только марганцем;

полуспокойную сталь (пс), раскисленная марганцем и алюминием, т.е. характеризующуюся промежуточным раскислением.

Эти стали отличаются по химическому составу:

сп - 0,14 - 0,3% Si, ~ 0,002% О2;

пс - 0,05 - 0,10% Si, ~ 0,01% О2;

кп - <0,05% Si, ~ 0,02% О2.

Стали различных способов раскисления характеризуются следующими показателями выхода годного: спокойная сталь - 85-90%; полуспокойная сталь - 90-95%; кипящая сталь - 95-100%.

Состав стального слитка неодинаков. В верхней и средней части слитка содержится больше примесей - серы, фосфора и углерода. Это явление носит название зональной ликвации, которая вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого состояния в твердое. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, а в нижней части - уменьшается. Поэтому металл из верхней части слитка будет отличаться от нижней, и оба они будут отличаться от средней. В кипящей стали зональная ликвация больше, чем в спокойной. Чем крупнее слиток, тем сильнее выражена зональная ликвация. Поэтому при прокатке - прибыльную, подприбыльную, и донную части слитка отрезают.

Классификация углеродистых сталей

В зависимости от назначения стали делят на:

конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны);

инструментальные стали (режущий инструмент, мерительный инструмент, штампы).

По содержанию углерода:

малоуглеродистые (0,025ч0,25%С);

среднеуглеродистые (0,25ч0,6%С);

высокоуглеродистые (> 0,6%С).

По качеству:

обыкновенного качества (<0,05%S; <0,04%Р);

качественные (<0,04%S; <0,035%Р);

высококачественные (<0,03%S; <0,03%Р).

Качество сталей определяется содержанием в них вредных примесей: серы и фосфора. Конструкционные стали изготавливают обыкновенного качества и качественными; инструментальные стали - качественными и высококачественными.

Стали обыкновенного качества

Данные стали в процессе выплавки меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора, большое количество неметаллических включений, значительно развита ликвация. Содержание серы до 0,05%, фосфора до 0,04%.

Маркируются: Cт0, Cт 1, Cт2, Cт3, Cт4, Cт5, Cт6.

Все эти стали по структуре доэвтектоидные - 0,06-0,49% углерода.

Указание способа раскисления: Cт1кп, Cт1пс, Cт1сп, Cт3кп, Ст3пс, Cт3сп. Начиная со стали 4 выпускают только стали спокойные и полуспокойные: Cт6сп, Cт6пс.

Каждая марка стали выполняется в 14 вариантах, которые гарантируют определенные механические и химические свойства.

Рассмотрим в качестве примера сталь - Cт3сп4. Первая цифра «3» - указывает только порядковый номер марки стали по ГОСТ 380-94, а не содержание углерода. Но с увеличением номера содержание углерода увеличивается. Чем больше содержится в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. Вторая цифра «4» (может изменяться от 1 до 5) - гарантирует определенные механические свойства и химический состав стали (категория поставки). Стали первой категории имеют гарантию по механическим свойствам, временное сопротивление, относительное удлинение. Стали второй категории имеют гарантию по механическим свойствам и химическому составу. Стали третей категории - по механическим свойствам, химическому составу и ударной вязкости при +20?C. Стали четвертой категории - по механическим свойствам, химическому составу и ударной вязкости при -20?C. Стали пятой категории - по механическим свойствам, химическому составу, ударной вязкости при -200С и после старения.

В таблице № 3 указаны состав сталей и механические свойства сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Таблица № 3

Области применения сталей обыкновенного качества: Ст0 - ограждения, перила, кожухи, обшивка (т.е. детали неответственные); Ст1 - детали с высокой вязкостью и низкой твердостью (анкерные (фундаментные) болты, связывающие обшивки); Ст2 - неответственные детали требующие высокой пластичности или глубокой вытяжки; Ст3 - несущие элементы сварных и не сварных конструкций или деталей; фасонные швеллеры для рамы тракторов, обода колес автомобилей, фасонные профили для сельскохозяйственного машиностроения; арматура гладкого профиля для армирования железобетонных конструкций; Ст5 - болты, гайки, тяги, трубные решетки, клинья, рычаги, упоры, штыри, стержни, пальцы; Ст6 - бабы молотов (ударная часть), шпиндели (вращающая часть на станке), ломы строительные; от Ст0 до Ст6 - балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь.

Стали обыкновенного качества поставляются по гарантированному химическому составу и механическим свойствам. Спокойная сталь по температуре перехода в хрупкое состояние значительно лучше, чем кипящая.

Качественные конструкционные углеродистые стали

Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом, в мартеновских печах или электропечах. В зависимости от раскисления они могут быть спокойными или кипящими. К стали этой группы предъявляются более высокие требования относительно химического состава:

меньше содержание серы - 0,04%,

фосфора - 0,035%;

меньше количество неметаллических включений;

повышенные требования к макро- и микроструктуре сплава.

Поставляются стали по гарантированному химическому составу и механическим свойствам.

Маркировка производится цифрами по ГОСТ1050-88: 05, 08, 10, 11, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Выпускают стали в соответствии с ГОСТ 1050-88. Изготавливают горячекатаную и кованую сталь с термической обработкой (отжиг, нормализация, высокий отпуск), так и без нее. Сталь предназначается для горячей обработки давлением, механической обработки и для холодного волочения (подкат).

В таблице № 4 указаны химический состав и механические свойства углеродистой качественной стали по ГОСТ 1050-88

Таблица № 4

Области применения углеродистых качественных конструкционных сталей: 05кп, 08, 08кп - детали изготавливаемые холодной штамповкой и глубокой вытяжкой (кузова, крылья автомобилей, топливные баки, змеевики, элементы сварных конструкций); 10, 15 - используют для деталей, не испытывающих высоких нагрузок: кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, болты, гайки, заклепки, муфты; 20, 25 - крепежный материал, соединительные муфты, шпиндели, толкатели клапанов, рамы и другие детали автотракторного сельскохозяйственного машиностроения; 30, 35 - слабонагруженные оси, валы различных машин и механизмов, шпиндели, шестерни, рычаги, звездочки, кольца, шатуны; 40, 45, 50 - средненагруженные оси, валы, шестерни, втулки, коленчатые валы, плунжеры, фрикционные диски; 55, 60 - пружины, рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки, железнодорожные рельсы, крановые колеса.

Инструментальные качественные углероды

Маркируются углеродистые инструментальные стали по ГОСТ1435-99: У7, У8, У10, У11, У12, У13, У14. Цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента: У7 - 0,7% углерода; У11 - 1,1% углерода. Стали могут быть качественные (серы 0,028%, фосфора 0,03%) и высококачественные (серы 0,018%, фосфора 0,025%). Буква А в конце марки, указывает, что сталь высококачественная. Обозначаются углеродистые высококачественные инструментальные стали У7А, У8А, …, У13А. Эти стали не обладают теплостойкостью, рабочая температура не более 190-200?C (при нагреве выше происходит резкое снижение твердости режущей кромки с HRC62-63 до HRC15-18). Используют после термической обработки.

Области применения инструментальных сталей: У7, У7А - зубила, молотки, плоскогубцы, кусачки, пневмоинструмент; У8, У8А - фрезы, ножи, зенковки, штампы, матрицы, пуансоны, ножницы, деревообрабатывающий инструмент; У9, У9А, У10, У10А - сверла, метчики, развертки, плашки, матрицы для холодной штамповки; У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А - резцы, напильники, сверла, измерительный инструмент, ножовочные полотна.

Автоматные стали (конструкционные)

Хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, при этом получается высокое качество поверхности. Это достигается повышенным содержанием серы и фосфора. Сульфиды марганца MnS способствуют образованию короткой и ломкой стружки. Фосфор, повышая прочность, твердость и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой и блестящей поверхности.

Маркировка: А12, где А - автоматная, «12» - среднее содержание углерода в сотых долях процента. А4ОГ - повышенное содержание марганца (1,2-1,55%). Содержание: серы 0,08 - 0,3%; фосфора 0,08 - 0,15%.

А12 - 0,12% углерода, А30 - 0,3% углерода, А20 - 0,2% углерода, А40Г - 0,4% углерода.

Для улучшения обрабатываемости можно добавлять свинец в количестве 0,15 - 0,3%.

АС11, АС 14, АС40 - 0,4% углерода.

Может быть проведено легирование селеном (? 0,1%).

А35Е - 0,35% углерода.

Обрабатываемость улучшается в 2 раза (по сравнению со сталями с повышенным содержанием серы и фосфора).

Из автоматных сталей изготавливают болты, гайки, винты, детали сложной конфигурации на станках автоматах.

Заключение

Металлы - наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.

Углеродистые стали и сплавы - это материалы с целой гаммой свойств, и в зависимости от количества примесей обладают теми или иными качествами, как например, прочность, износостойкость, твёрдость, хрупкость. К тому же они сравнительно недороги. Углеродистые стали, благодаря этим достоинствам, стали основной металлический материал промышленности.

Список литературы

Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 479 с.

Лахтин Ю.М., Леонтьева П.А. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

Сталь инструментальная углеродистая. ГОСТ 1435-85. - М. Госстандарт.

Сталь углеродистая качественная конструкционная. ГОСТ 1050-85. - М. Госстандарт.

Сталь углеродистая обыкновенного качества. ГОСТ 380-89. - М. Госстандарт.

Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение. - М.: Металлургия, 1989, - 384 с.

Размещено на Allbest.ru