Классификация по химическому составу

КЛАССИФИКАЦИЯ, МАРКИРОВКА И ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы: 1) изучить классификацию углеродистых сталей по химическому составу, способу производства (качеству), назначению; 2) приобрести навыки в вопросе применения сталей различного назначения в промышленности.

Задание: 1. Выполнить индивидуальный вариант задания; 2. Ответить на вопросы теста.

Основные сведения

Сталь – железоуглеродистый сплав. Если помимо углерода (до 2%) и постоянных примесей (S, P, Si, Mn) в стали никаких специальных элементов не содержится, она называется углеродистой.

На долю углеродистой стали приходится 80% от общего объема выплавляемой стали. Это объясняется тем, что такая сталь дешева и сочетает удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируются по химическому составу, способу производства (качеству), степени раскисления, структуре и назначению.

Классификация по химическому составу

По химическому составу (содержание углерода) стали подразделяются на низкоуглеродистые (менее 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7% С) и высокоуглеродистые (более 0,7% С).

3.2 Классификация по способу раскисления

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируются на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляются марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без газовыделений. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенной количество кислорода, который при затвердевании удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, чем и вызвано ее название “кипящая”. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si£0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими. В полуспокойных сталях содержится до 0,17 % Si, в спокойных - до 0,5 % Si. Содержание марганца во всех сталях - до 0,8%.

3.3 Классификация по качеству

Качество стали определяется нормой вредных примесей - серы и фосфора. Сера вызывает красноломкость стали - хрупкость при горячей обработке давлением.

Фосфор вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры.

Современные методы выплавки стали не обеспечивают полного удаления серы и фосфора. Количество этих элементов зависит от того, в каком плавильном агрегате сталь получена (конвертере, мартеновской печи, электропечи). Поэтому качество стали определяется способом производства. Наивысшее качество имеет сталь, выплавленная в электропечах, т.е. она содержит небольшое количество серы и фосфора.

Углеродистые стали выпускаются обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Стали обыкновенного качества

Выплавляются в конвертерах и мартеновских печах. Это наиболее дешевые и широко применяемые стали. В них допускается повышенное содержание вредных примесей (до 0,055% S и до 0,045% Р), а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как они выплавляются по нормам массовой технологии.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) поставляют в виде проката (балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т.д.) и применяют в машиностроении и других отраслях.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры – это условный номер марки, то есть на содержание углерода в стали цифры не указывают. Чем больше число, тем больше содержание углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. Стали могут поставляться с учетом степени раскисления, наприме: Ст4кп, Ст4пс, Ст4пс, Ст4сп.

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В.

Стали ст0 - ст6 группы А используют в горячекатаном состоянии для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют исходную структуру и механические свойства, гарантированные стандартом.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом (по C, Si, Mn, P). Механические свойства не гарантируются. Принадлежность стали к группе Б указывается буквой Б, стоящей в начале марки (Бст0 - Бст6).

Стали этой группы предназначены для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковки, сварки и термической обработки). В этом случае сведения о химическом составе нужны для определения режимов горячей обработки.

Стали группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Их широко применяют для производства сварных конструкций. В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости нужны сведения о химическом составе.

Стали этой группы выпускают марок Вст1 - Вст5. В таблице 3.1 приведен химический состав сталей обыкновенного качества.

Таблица 3.1 - Химический состав углеродистой стали обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Марка стали	Массовая доля элементов, %
C	Mn	Si
Ст1кп Ст1пс Ст1сп	0,06 – 0,12	0,25 – 0,50	Не более 0,05
0,05 – 0,15
0,15 – 0,30
Ст2кп Ст2пс Ст2сп	0,09 – 0,15	Не более 0,05
0,05 – 0,15
0,15 – 0,30
Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст3Гпс	0,14 – 0,22	0,30 – 0,60	Не более 0,05
0,40 – 0,65	0,05 – 0,15
0,15 – 0,30
0,80 – 1,10	Не более 0,15
Ст3Гпс	0,14 – 0,20	0,15 – 0,30
Ст4кп Ст4пс Ст4сп	0,18 – 0,27	0,40 – 0,70	Не более 0,05
0,05 – 0,15
0,15 – 0,30
Ст5пс Ст5сп	0,28 – 0,30	0,50 – 0,80	0,05 – 0,15
0,15 – 0,30
Ст5Гпс	0,22 – 0,30	0,80 – 1,20	Не более 0,15
Ст6пс	0,38 – 0,49	0,50 – 0,80	0,05 – 0,15
Ст6сп	0,15 – 0,30

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) применяют для изготовления слабонагруженных деталей машин, когда на выбор стали большое влияние оказывают не столько механические, сколько технологические свойства, прежде всего, свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают стали групп Б и В, номеров 1 - 4 и особенно Ст3 (всех трех групп), их широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготавливаемые холодной штамповкой, а также цементуемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.д.).

Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большей прочностью, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин).

Качественные стали

Выплавляются также в конвертерах и мартеновских печах, однако норма вредных примесей снижена: S - не более 0,04%, P - не более 0,035%. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.

Качественные стали маркируются двузначными цифрами 05, 08, 10, 15, 20...85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-74). Например, сталь 10 содержит 0,10% С, сталь 45 - 0,45% и т.п.

Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие - с индексами "пс" и "кп" соответственно. Кипящими производят стали 05кп - 20кп, полуспокойными - 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Высококачественные стали

Выплавляются в электропечах. Содержание вредных примесей не превышает: S - не более 0,025%, P - не более 0,025%, механические свойства более стабильны.

Маркируются высококачественные стали так же, как и качественные, однако в конце марки ставится буква "А". Например: 45А применяется для изделий ответственного назначения.

3.4 Классификация по структуре

Производится в равновесном состоянии, т.е. в условиях медленного охлаждения, что на практике соответствует отжигу стали.

Стали, содержащие до 0,8% С и имеющие структуру, состоящую из феррита и перлита, называются доэвтектоидными.

Стали, содержащие 0,8% С со структурой перлита (100% прелита), называются эвтектоидными.

Стали, содержащие свыше 0,8% С и имеющие структуру, сотоящую из перлита и цементита, называются заэвтектоидными.

3.5 Классификация по назначению

По назначению (применению в промышленности) углеродистая сталь классифицируется на конструкционную, инструментальную, автоматную, строительную.

а) Конструкционная сталь

Это сталь обыкновенного качества, качественная и высококачественная. По назначению конструкционную сталь подразделяют на подгруппы:

1. Стали 05, 08, 10, ст1 - ст4, спокойные, полуспокойные и особенно кипящие - малопрочные, высокопластичные. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых путем холодной деформации и сварки.

2. Стали 15, 20, 25, Бст1 -Бст4 - цементуемые, предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.д.), от которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина.

3. Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 (а также высококачественные 30А - 55А) отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью. Их называют улучшаемыми, так как они подвергаются улучшению - закалке с последующим высоким отпуском (сталь 30 применяется в нормализованном состоянии). После улучшения достигается высокая вязкость, пластичность и, как следствие, малая чувствительность к концентраторам напряжения. Область применения - оси, шатуны, зубчатые колеса, маховики, валы малооборотных двигателей.

Стали 60, 65, 70, 75, 80, 85, а также с повышенным содержанием марганца (60Г, 65Г, 70Г) применяют в качестве рессорно-пружинных. Их используют для силовых упругих элементов - плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и других деталей пружинного типа.

В нормализованном состоянии стали применяют для прокатных валков, шпинделей станков и других крупных деталей.

б) Инструментальные стали

Углеродистые стали, предназначенные для изготовления инструмента (ГОСТ 1425-74), производят качественными (У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13) и высококачественными (У7А - У13А). Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра - содержание углерода в десятых долях процента. Так, сталь У9 содержит 0,9% С, сталь У10 - 1,0% С, сталь У11 - 1,1% С и т.д.

Стали У7, У8, обеспечивающие более высокую вязкость, применяют для инструментов, подвергающихся ударам: деревообрабатывающих, слесарных, кузнечных, а также пуансонов, матриц и других инструментов, деформирующих металл.

Стали У9, У10 применяют для режущих инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам (мелкие метчики, сверла).

Стали У11, У12, У13 - для инструментов с высокой твердостью на рабочих гранях, работающих при спокойной нагрузке (напильники, пилы).

в) Автоматные стали

Обработка резанием - основной способ изготовления деталей машин и приборов. С улучшением обрабатываемости стали растет производительность их обработки и уменьшается интенсивность изнашивания режущего инструмента. Особое значение это имеет для массового производства, где широко применяют автоматические линии.

Повышение обрабатываемости резанием достигается преимущественно металлургическими приемами, когда в состав стали вводятся элементы, способствующие получению сыпучей, легкоотделяющейся стружки (сера, селен, свинец, кальций) и повышающие чистоту обрабатываемой поверхности (фосфор). Подобные стали относятся к так называемым автоматным сталям. В соответствии с ГОСТ 1414-75 их маркируют буквой А (автоматная), присутствие свинца обозначают буквой С, кальция - Ц, селена - Е, двузначная цифра после букв А или АС - среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Автоматные сернистые стали А11, А12, А20, А30, А35, А40Г являются углеродистыми, содержат 0,08 - 0,30% S и 0,05 - 0,15% Р. Они предназначены для крепежных деталей, а также для малонагруженных деталей сложной формы.

Автоматным сернистым сталям присуща анизотропия механических свойств, пониженная вязкость, пластичность и, особенно, сопротивление усталости в направлении, перпендикулярном прокатке. Поэтому их не применяют для изготовления ответственных деталей машин.

Автоматные свинецсодержащие стали (0,15 - 0,30% Pb) АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2 по обрабатываемости значительно превосходят сернистые. Их широко применяют на автозаводах для изготовления многих деталей двигателей. Введение свинца повышает скорость резания на 30 - 40% и в 7 раз увеличивает стойкость инструмента.

Автоматные селеносодержащие стали А35Е, А45Е содержат 0,04 - 0,1% Se и 0,06 - 0,12% S. Они практически изотропны, и их применение позволяет в 2 раза снизить расход инструмента и на 30% повысить производительность обработки.

Автоматные кальцийсодержащие стали (0,002 - 0,008% Ca) АЦ20, АЦ30 предназначены для изготовления термически упрочненных деталей, обрабатываемых твердосплавным инструментом при высоких скоростях резания.

г) Строительная сталь

При незначительных напряжениях в конструкциях в качестве конструкционной строительной стали применяют сталь, содержащую до 0,25% С и обладающую высокой свариваемостью.

Для армирования железобетонных конструкций применяется сталь с самым различным содержанием углерода с большим диапазоном по прочности. Арматура может быть изготовлена из проволоки, стержней, канатов и пр.

Порядок выполнения работы

1. Познакомиться с пояснительной частью работы.

2. Выполнить работу по индивидуальному заданию. Работу оформить в виде таблицы:

Вариант №...

Из сталей....................выбрать пригодные для изготовления изделий:

№ п/п	Название изделия	Марка стали	С, %	Классификация по качеству	Классификация по назначению

Дата добавления: 2015-07-08