Классификация сталей и сплавов

Сырьем для производства стали служит передельный чугун и сталь­ной лом. Процесс переработки чугуна в сталь сводится к удалению (вы­горанию) части углерода и примесей. Получают сталь также прямым восстановлением железа из руды, минуя доменный процесс.

Сталь — широко распространенный конструкционный материал. Путем легирования и специальной обработки (термической, химико-термической, термомеханической и др.) стали можно придать нужные свойства, удовлетворяющие самым разнообразным требованиям современной техники.

Сталь обладает высокой прочностью и твердостью, достаточной пластичностью и вязкостью. Ее можно обрабатывать резанием и давле­нием, отливать.

Развитие техники предъявляет все новые требования к качеству и свойствам стали, поэтому непрерывно совершенствуются технологи­ческие процессы ее получения, разрабатываются и внедряются новые марки.

Единой мировой классификации сталей не существует. Обычно сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре, методу формо­образования изделий из стали.

По способу производства сталь разделяют на мартеновскую, конвер­торную (кислородно-конверторную, бессемеровскую, томасовскую), элект­росталь и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащенной руды (окатышей). Мартеновский способ производства, бывший в свое время наиболее распространенным, сейчас утратил первостепенное значение и вытесняется более простым и экономичным, с точки зрения технологии производства, кислородно-конверторным способом. Пред­почтение отдается также электроплавильным способам, которые позво­ляют получать сталь самого высокого качества.

По химическому составу сталь делят на углеродистую и легирован­ную.

Углеродистая сталь — железоуглеродистый сплав (0,02-2,14% С) с неизбежными примесями марганца (до 0,8%), кремния (до 0,5%), серы (до 0,06%), фосфора (до 0,07%) и газов (кислорода, водорода, азота), присутствующих в очень малых количествах — тысячных долях процен­та. Железо и углерод являются основными компонентами, определяю­щими структуру и свойства стали.

Марганец, кремний, сера и фосфор относятся к постоянным, или обычным, примесям. Марганец и кремний необходимы по условиям технологии выплавки стали — их вводят в расплав для ее раскисления. Вредные примеси - сера и фосфор - попадают в сталь из руд и печных газов и не поддаются полному удалению на стадии металлургического передела.

Кислород, водород, азот также постоянно присутствуют в стали и от­носятся к скрытым вредным примесям.

Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразде­ляют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25— 0,60% С) и высокоуглеродистые (свыше 0,60% С).

Легированными называют стали, в состав которых кроме железа, угле­рода, обычных и скрытых примесей входят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам и другие элементы, которые специально вводятся в сталь для придания ей требуемых свойств. Сталь также счита­ется легированной, если содержание в ней кремния превысит 0,5%, а мар­ганца — 1%. Легированные стали в зависимости от системы легирования делят на марганцевистые, хромистые, хромоникелевые и т.д.

В зависимости от содержания легирующих элементов различают ста­ли низколегированные (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (более 10%). Если суммарное содержание легирующих элементов превышает 50%, т.е. преобладает над железной основой, то такой материал называ­ется сплавом. Например, сплавы с заданным температурным коэффици­ентом линейного расширения, жаропрочные сплавы и многие другие.

По назначению стали классифицируют на конструкционные, инстру­ментальные и специального назначения (с особыми свойствами).

Конструкционные стали применяют в машиностроении и строитель­стве для изготовления деталей машин, элементов конструкций и соору­жений. В зависимости от назначения и требуемых свойств содержание углерода в различных марках конструкционной стали изменяется в пре­делах от 0,05 (листовая) до 1% (подшипниковая). Важнейшими харак­теристиками сталей, по которым осуществляется их выбор, являются механические свойства и прокаливаемость.

Среди конструкционных сталей различают цементуемые, улучшае­мые, высокопрочные, автоматные, рессорно-пружинные, подшипниковые и некоторые другие.

Инструментальные стали служат для изготовления режущих, изме­рительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирова­ния. Основным требованием, предъявляемым к инструментальным сталям, является высокая твердость, в связи с чем они отличаются по­вышенным содержанием углерода (исключение — стали для горяче-штампового инструмента, подвергаемого в процессе эксплуатации значительным динамическим нагрузкам). При выборе марки инстру­ментальной стали в первую очередь учитывается ее теплостойкость (красностойкость), т.е. способность стали длительно сохранять структу­ру и свойства при повышенных температурах в результате нагрева инс­трумента в процессе работы. Теплостойкость создают специальной системой легирования инструментальных сталей и применением осо­бых режимов термической обработки.

Стали и сплавы специального назначения делят на две группы: с осо­быми химическими и с особыми физическими свойствами.

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные) предназначены для работы в агрессивных средах и при высоких температурах.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные, с за­данным температурным коэффициентом линейного расширения и др.) применяются в основном в приборостроении, электротехнической, ра­диотехнической и электронной промышленности.

Необходимые свойства у сталей обеих групп достигаются в результа­те специального легирования, что также учитывается при назначении режимов термической обработки.

Конструкционные и инструментальные стали могут быть как углеро­дистыми, так и в различной степени легированными, а стали специаль­ного назначения — только легированными.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, гарантируе­мых металлургическим процессом ее производства. Качество стали оп­ределяется степенью однородности химического состава и строения, природой и содержанием неметаллических включений, газонасыщен­ностью и некоторыми другими факторами.

Основным показателем, лежащим в основе классификации сталей по качеству, является содержание вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше указанных примесей, тем выше качество стали. Например, в углеродистой качественной конструкционной стали (ГОСТ 1050-88) допускается массовая доля серы не более 0,04%, фосфора — не более 0,035%. В углеродистой стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—94) эти показатели выше: массовая доля серы не более 0,05%, фосфора — не более 0,04%.

Стали обыкновенного качества выплавляют только углеродистыми, качественные и высококачественные — углеродистыми и легированны­ми, а особо высококачественные — только легированными.

Для повышения степени чистоты стали (по газам и сере) пользуются следующими металлургическими приемами: вакуумным, электрошла­ковым, электронно-лучевым, плазменным и другими переплавами; обработкой жидкой стали синтетическими шлаками; методом внепечного вакуумирования расплава и др.

По степени раскисления стали классифицируют на кипящие, спокой­ные и полуспокойные. Раскисление — процесс удаления из жидкой ста­ли кислорода. Сталь раскисляют перед разливкой, вводя в расплав элементы, которые связывают кислород в нерастворимые в металле ок­сиды и переводят их в шлак.

Кипящая сталь раскислена только марганцем, что недостаточно для полного удаления газов. При разливке и охлаждении кипящей стали вы­деляются пузырьки газов, создающие впечатление кипения металла. Слиток такой стали имеет большое количество газовых пор, поэтому в нем не образуется концентрированная усадочная раковина. При горя­чей прокатке слитка газовые поры завариваются. Кипящие стали на­иболее дешевые (вследствие меньшего расхода раскислителей), однако из-за повышенной газонасыщенности они хуже свариваются и более склонны к хрупкому разрушению, в том числе и при горячей обработке давлением.

Спокойную сталь получают, раскисляя металл в печи, а затем в ков­ше марганцем, кремнием и алюминием. Спокойная сталь затвердевает в изложнице без выделения газов с образованием в верхней части слит­ка усадочной раковины, которую впоследствии удаляют. Спокойная сталь более однородна по химическому составу в слитке и содержит меньше растворенных газов. По сравнению с кипящей в спокойной ста­ли выше концентрация кремния, она менее склонна к хрупкому разру­шению.

Полуспокойная сталь по степени раскисления, а следовательно, и по другим показателям занимает промежуточное положение между кипя­щей и спокойной сталями.

От способа раскисления стали зависит выход годного, который со­ставляет, %: для спокойной стали — 85—90, полуспокойной — 90—95 и ки­пящей - 95-100.

По структурному признаку стали классифицируют в отожженном (равновесном) и нормализованном состояниях.

По равновесной структуре в отожженном состоянии различают шесть классов сталей:

•доэвтектоидные, в структуре которых избыточный феррит при­сутствует наряду с перлитной составляющей;

•эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;

• заэвтектоидные, в структуре которых кроме перлита содержатся избыточные карбиды вторичного происхождения (выделившиеся из аустенита);

• ледебуритные, имеющие в структуре первичные карбиды эвтекти­ческого происхождения;

• ферритные;

• аустенитные.

Углеродистые стали по равновесной структуре могут быть первых трех классов, а легированные — всех шести.

Углеродистые стали, в соответствии с диаграммой состояния «желе­зо — углерод», содержат следующее количество углерода, %: доэвтекто­идные - менее 0,8; эвтектоидная — 0,8; заэвтектоидные — свыше 0,8 (практически 0,8—2,14). Большинство легирующих элементов сдвигают точку S (0,8% С) на диаграмме состояния «железо — углерод» влево, т.е. в сторону меньшего содержания углерода. Это означает, что легирован­ные стали могут относиться к сталям заэвтектоидного класса при мень­шей, чем 0,8%, концентрации углерода. Например, сталь, содержащая 0,6% углерода, при введении 5% хрома становится заэвтектоидной, т.е. в ее структуре появляется избыточный цементит вторичный.

По влиянию на полиморфизм железа легирующие элементы подразде­ляют на две группы: α- и γ-стабилизаторы. Большинство элементов (Сг, W, Mo, V, Ti, Nb и др.) относятся к первой группе — они сужают область существования γ -железа. Как следствие, при определенной концентра­ции легирующего элемента в стали отсутствует α ↔ γ превращение и ее структура представлена только ферритом.

При высоком содержании в сплаве легирующего элемента второй группы (например, марганца и никеля) аустенит существует как ста­бильная фаза от температуры плавления до комнатной — получается сталь аустенитного класса.

До определенной температуры, называемой точкой Кюри(768 °С), железо обладает способностью хорошо намагничиваться, выше — утра­чивает это качество. Как правило, сплавы на основе железа легко намаг­ничиваются, за исключением стали аустенитного класса, которая является немагнитным материалом.

По структуре после нормализации (охлаждение на воздухе) выделяют три основных класса сталей: перлитный, мартенситный и аустенитный.

К перлитному классу относятся углеродистые и низколегированные стали, аустенит которых при охлаждении на воздухе распадается в пер­литной области.

Стали мартенситного класса за счет более высокой степени легиро-ванности отличаются повышенной устойчивостью аустенита. При охлаждении на воздухе такие стали закаливаются на мартенсит.

К аустенитному классу относятся высоколегированные стали, имею­щие повышенное содержание марганца и никеля (как правило, в соче­тании с хромом), что смещает интервал мартенситного превращения в область минусовых температур. Как следствие, аустенитная структура сохраняется при комнатной температуре.

По методу формообразования изделий различают литую, кованую и катаную стали. При одинаковом химическом составе литая сталь отли­чается более низкими механическими свойствами по сравнению с де­формированной — кованой и катаной. Однако с помощью литейной технологии можно получать детали сложной формы с меньшими затра­тами.

Кованая сталь в поковках и штамповках имеет наиболее однород­ные механические свойства. В отличие от кованой катаная сталь в про­кате характеризуется различием механических свойств в продольном и поперечном направлениях, что называется анизотропией механических свойств.

Дата добавления: 2015-07-08