Классификация углеродистых сталей.

Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.

По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8% С, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержашую около 0,8% С, структура которой состоит только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8 — 2,14% С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По способу производства различают стали, выплавляемые в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом. Наилучшими свойствами обладает электросталь, более чистая по содержанию вредных примесей — серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Она идет для изготовления наиболее ответственных деталей.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные, отличающиеся различным содержанием кислорода в стали в конце плавки.

Для уменьшения содержания кислорода до допустимых норм, как говорят, раскисления стали, в жидкую сталь вводят раскислители - элементы, имеющие большее сродство к кислороду по сравнению с железом. Вещества, образующиеся при их окислении, имеют меньшую плотность, чем сталь; они всплывают и удаляются со слоем шлака.

Кипящая сталь - наименее раскисленная - раскисляется наиболее дешевым раскислителем марганцем. В такой стали реакция углерода с растворенным кислородом (С+[О] =CО) не прекращается и в момент кристаллизации металл продолжает "кипеть" из-за выделяющихся пузырей СО. Вследствие этого она имеет резко выраженную химическую неоднородность и газовые пузыри в теле слитка. Эти пузыри потом устраняются при последующей горячей прокатке. Основным преимуществом кипящих сталей является низкая цена и высокий (более 95%) выход годного металла (нет усадочной раковины). Благодаря низкому содержанию кремния и углерода кипящие стали хорошо штампуются в холодном состоянии. Из-за повышенной концентрации кислорода кипящие стали имеют сравнительно высокий порог хладноломкости и их не рекомендуют применять для изделий северного исполнения.

Спокойная сталь - наиболее раскисленная - раскисляется последовательно марганцем, кремнием и алюминием. После введения раскислителей выделение пузырей СО прекращается и металл "успокаивается". Эта сталь наиболее качественная (более плотная и имеет более однородный химический состав), но и наиболее дорогая. В верхней части слитка образуется усадочная раковина, что значительно уменьшает выход годного металла (около 85%).

Полуспокойная сталь - раскисляется марганцем и уменьшенным количеством кремния и является промежуточной между спокойной и кипящей сталью по качеству и стоимости.

По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали.

Стали обыкновенного качества содержат не более 0,05 % S и не более 0,04 % Р. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, например: Ст6, Ст1,..., Ст6. Цифры — условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная (табл. 10.1). Кипящими выплавляют стали марок Ст0 - Ст4, полуспокоными и спокойными - все стали (табл. 10.1).

Таблица 10.1. Состав углеродистых сталей обыкновенного качества, % (ГОСТ 380-88)

Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Так, например, содержание углерода в сталях Ст1сп и Ст6сп 0,06-0,12 и 0,38-0,49, соответственно.

Сталь подразделяют на 3-и группы: А, Б и В. В марках стали указывают только группы Б и В, например Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая) или ВСт4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и пр. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Группа А - поставляются с гарантированными механическими свойствами σ_В, σ_Т, δ без указания химического состава. Поэтому используют в состоянии поставки и не предназначены для последующей горячей обработки. С увеличением номера стали прочность растет, а пластичность уменьшается:

Ст0...................... σ_В ≥ 310МПа; δ ≥ 23%;

Ст6сп.................. σ_В ≥ 600МПа; δ ≥ 13%

Группа Б - поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка), когда сведения о химическом составе необходимы для определения режима горячей обработки:

БСт0.................С < 0,23%, S ≤ 0,06%, P ≤ 0,07%;

БСт6сп..........С=0,38-0,49%; Mn = 0,50-0,80%; Si = 0,15-0,35; S≤0,05%, P≤0,04%

Группа В - гарантирует механические свойства и химический состав. Стали этой группы дороже, чем А и Б, их применяют для ответственных деталей. Например для сварных конструкций, когда наряду с мех. свойствами надо знать и хим. состав для оценки свариваемости.

Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных изделий. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1 - 4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции. Эти стали выделяют в отдельную группу под названием с троительных сталей.

Так как детали строительных конструкций соединяют сваркой, то основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому строительные стали содержат до 0,25% С. При более высоком содержании углерода в зонах, нагретых при сварке до температур выше критических, возможно образование структуры мартенсита. В этом случае наблюдается объемный эффект, что способствует образованию холодных трещин в зонах около сварных швов. Кроме того, углерод, расширяя интервал кристаллизации металла шва, способствует образованию горячих трещин в металле шва.

В качестве строительных сталей используют главным образом углеродистые стали обыкновенного качества марок ВСт3, ВСт4, имеющие s_т = 200 - 270 МПа.

Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большой прочностью, предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельхозхозяйственных машин. К недостаткам сталей данного класса относится низкая хладностойкость, что ограничивает их применение в условиях Севера, и малая прочность, что приводит к большому расходу материала.

Качественные стали. К ним предъявляются более высокие требования по составу шихты и соблюдению технологии варки. Содержат не более 0,04 % S (в случае инструментальных сталей до 0,03 %) и не более 0,035 % Р, они менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. В особо ответственных случаях эти стали содержат менее 0,02 % S и 0,03 % Р. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах. Качественные стали предпочтительнее для изготовления изделий, эксплуатируемых при низких температурах, в частности, в условиях Севера и Сибири. Выплавляются в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах. Качественные стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам (s_в, s_т, d, y) (табл. 10.2).

Маркируют двузначными цифрами (от 08 до 60), указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20 содержит в среднем 0,20% С, сталь 75 - 0,75% С и т. д.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,2% С), среднеуглеродистые (0,3 - 0,5% С) и высокоуглеродистые конструкционные (до 0,65 % С).

Таблица 10.2 Состав и свойства некоторых марок качественных углеродистых сталей (ГОСТ 1050 — 88)

Значительный объем из выпускаемых качественных углеродистых сталей занимает л истовая сталь для холодной штамповки (глубокой вытяжки), используемая для изготовления крыльев и кузовов автомобиля.

Такая сталь должна обладать большой пластичностью. Поэтому для этих целей применяют сталь с минимальным содержанием углерода и других постоянных примесей (марганца, кремния, серы, фосфора), так как все они в той или иной степени уменьшают пластичность стали. Применяют преимущественно низкоуглеродистую кипящую (низкокремнистую) сталь марки 08кп, содержащую не более 0,08 % С, 0,25 — 0,50 % Мn, 0,03 % Si, 0,03 % S, 0,02 % Р.

Чтобы сталь хорошо штамповалась, она должна иметь не только определенный состав, но и соответствующую микроструктуру — мелкозернистый феррит с перлитом, располагающимся в стыках нескольких ферритных зерен.

Следует отметить, что листы из кипящих малоуглеродистых сталей (в том числе марки 08кп) неоднородны, имеют расслоения (раскатанные пузыри), а также склонны к старению при комнатной температуре (за счет повышенного содержания кислорода). Поэтому наряду с кипящими сталями для этих целей применяют и спокойные или полуспокойные (успокоенные алюминием — марка 08Ю), лишенные указанных недостатков, хотя и несколько более твердые.

Низкоуглеродистые стали 10, 15 и 20 - цементуемые, т. е. подвергаемые науглероживанию в поверхностном слое. Из них изготавливают детали, работающие в условиях повышенного износа:

10—гайки, болты, ключи, винты, шайбы,

15—стопорные кольца, золотники, золотниковые коробки, вентили отбойных молотков, фланцы, ролики, пальцы горных машин;

20—крышки редукторов, шестеренки, муфты, конические венцы бара врубовых машин, валы - шестерни;

Среднеуглеродистые стали 25 - 60 - используют, как улучшаемые, т. е. подвергают закалке с высоким отпуском. После такой обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Из них делают ответственные детали машин и механизмов:

25—оси, валы, соединительные муфты, крепеж;

30—тяги, серьги, траверсы, звёздочки, рычаги;

35—шестерни редукторов, валы, крепёж;

40—валы шнека, брусья бара, пружинные кольца, втулки расштыбовщика врубовых машин;

45—сегменты, валики шнека, шестерни, диски, брусья, валы шлицевые и эксцентриковые, коленчатые валы, кулачковые муфты тяжёлых врубовых машин, проходческих комбайнов;

50—штоки, шестерни, валы редуктора гусеничного хода, натяжной вал головки скребкового конвейера, валы проходческих комбайнов, ствол отбойного молота.

Углеродистые качественные стали, содержащие 0,7 — 1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Это инструментальные стали. Основные свойства, которые нужны для инструмента это износостойкость и теплостойкость, что обеспечивается высокой поверхностной твердостью и достаточной прочностью и вязкостью данных сталей. Их маркируют У7, У13, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А.

К углеродистым относят также низкоуглеродистые стали, используемые для массового производства и обрабатываемые на станках - автоматах, т. н. автоматные стали, отличающиеся повышенной обрабатываемостью резанием (обозначаются А12, А20, А30, А35 и др., где цифра соответствует среднему количеству углерода в сотых долях процента). Это достигается за счет повышенного содержания в составе низкоуглеродистых сталей серы (до 0,25%) и фосфора (до 0,15%). Эти элементы повышают стойкость обрабатывающего инструмента при резании и способствуют получению обработанной поверхности лучшего качества. Лучше всего обрабатывается серофосфорная сталь А12, из которой делают неответственные детали массового производства. К недостаткам серофосфорных сталей относятся пониженные пластичность и вязкость, а также повышенная склонность к корозии.

Дата добавления: 2015-07-07