Классификация по степени раскисления.
Стали по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Нераскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена хрупкому разрушению при горячей обработке давлением.
Спокойные стали хорошо раскислены марганцем, алюминием и кремнием. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины.
Кипящие стали раскисляют только марганцем. Они раскислены недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагирует с углеродом и выделяется в виде пузырей окиси углерода СО2 создавая ложное впечатление «кипения» стали.
Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в печи и ковше, а частично — в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.
Классификация сталей
Рис. 2.10 Схема классификации сталей
-по качеству: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные;
-по способу производства: мартеновские, конвертерные, электростали;
-по назначению: конструкционные, инструментальные, стали с особыми свойствами;
-по структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные;
— по степени раскисления: кипящая, спокойная, полуспокойная;
— по химическому составу: углеродистые и легированные.
УС = Fe + С + Si + Mn + S + Р , где
(Fe и С — основные компоненты; Si, Mn , S , Р — постоянные примеси; S и Р – вредные примеси).
Железо: Fe имеет две модификации α и γ (показывает на плакате «железо-углерод»). С углеродом железо имеет химическое соединение Fe3C — карбид железа (цементит), с содержанием углерода 6,67% в точке Д. Железо образует с углеродом твердые растворы внедрения: аустенит и феррит.
Аустенит — это твердый раствор внедрения углерода в γ -железо. Аустенит имеет КГЦ-решетку.
Феррит — это твердый раствор внедрения углерода в α -железо. Феррит имеет КОЦ — решетку.
Углерод — оказывает основное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали повышаются твердость и прочность и уменьшается пластичность и вязкость.
Сера — сера и фосфор являются вредными примесями, попадают в сталь при плавке из руды и топлива. Сера не растворяется в железе, а образует с ним сульфид железа, который образует эвтектику Fe — FeS.
Эта эвтектика при затвердевании в стали располагается вокруг зерен в виде легкоплавкой оболочки, а при горячей обработке (ковке, прокатке) такие оболочки расплавляются, теряется связь между зернами, образуются трещины. Это явление называется красноломкостью.
Устранить красноломкость можно, добавив к стали марганец.
Фосфор — растворяясь в феррите резко снижает, его пластичность, вызывает его внутрикристаллическую ликвацию (Это слово нужно записать на доске).
Ликвация — это неоднородность сплава по химическому составу. Ликвация способствует росту зерен, что приводит хрупкости изделий при обычной температуре. Такое явление называется хладноломкостью.
В стали допускаемое содержание серы и фосфора не более 0,05% каждого.
В автоматных сталях, где углерода содержится до 0,3% допускается содержание серы — до 0,2%, что облегчается снятие стружки) и фосфора — до 0,15%
Эти стали применяются для изготовления малоответственных деталей (болты, винты, гайки, изготовляемых на станках-автоматах).
Кремний и марганец — вводят в сталь для того, чтобы освободиться от закиси железа, которая образуется при плавке и ухудшает свойства стали. Этот процесс называется раскислением стали.
Раскисление стали — это удаление из жидкого металла кислорода, иначе стали будут хрупкими при горячей обработке.
Содержание марганца не должно превышать 0,75%, а кремния — 0,35%. В таком количестве кремний и марганец не оказывают влияния на механические свойства углеродистых сталей. Более высокое содержание кремния и марганца изменяет свойства стали и влияет на механическую и термическую обработку.
Стали, в которых содержится > 1% марганца и > 1% кремния называются специальными сталями.
Углеродистые стали бывают: конструкционные и инструментальные.
Какие стали называются конструкционными, инструментальными? Конструкционные стали предназначены для изготовления различных деталей и конструкций машин и механизмов.
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного, штампового и др. инструментов.
Конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные.
На качество стали влияют сера и фосфор. Сталь обыкновенного качества содержит серы < 0,055%, фосфора < 0,07%. Сталь качественная содержит серы < 0,04%, фосфора < 0,04%).
Стали обыкновенного качества делятся на три группы: группа А, группа Б. группа В.
Стали группы A: Cm 0, Cm 1, Cm 2, Cm 3 . Cm 6 предназначены для изготовления строительных конструкций, арматуры, крепежа, деталей машин, не несущих повышенных нагрузок. Стали этой группы предназначены для изделий, не подвергающихся горячей обработке (сварке, ковке). В этом случае изделия сохраняют механические свойства, полученные на металлургическом заводе и гарантируемые стандартом.
Цифра — условный номер марки.
Чем больше условный номер марки, тем больше предел прочности на растяжение и меньше относительное удлинение.
Стали группы Б: БСт 0, БСт 1, БСт 2, БСтЗ . БСт б стали этой группы применяются для изделий подвергающихся горячей обработке (ковке, штамповке). Здесь нужно знать химический состав, чтобы правильно определить режимы термообработки, а механические свойства при горячей обработке изменяются, поэтому нет необходимости их регламентировать.
Расшифровка марок:
Cm 1 — углеродистая, конструкционная, обыкновенного качества, группы А, с гарантированными механическими свойствами, 1-условный номер марки.
БСт 2 кп- углеродистая, конструкционная, обыкновенного качества группы Б с гарантированным химическим составом, 2 — условный номер марки, кп — кипящая по степени раскисления.
Стали группы В: ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4, ВСт 5 широко применяются для изготовления сварных конструкций, при расчете которых важно знать и механические свойства (где нет сварки нужно знать механические свойства), а химический состав нужен для определения режимов сварки.
Расшифровка марок:
ВСт 4 пс— углеродистая, конструкционная, обыкновенного качества, группы В с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. 4 — условный номер марки, пс — полуспокойное по степени раскисления.
В сталях группы А в маркировке буква А не ставится. В обозначении слово «сталь» дается сокращенно двумя буквами Ст. Цифровое обозначение номера марки от 0 до 6
Качественные стали по содержанию марганца делятся на:
1. Стали с нормальным содержанием марганца (до 0,8 %) – сталь 45
2. Стали с повышенным содержанием марганца (0,8% — 1,2%) — сталь 15Г. Буква Г обозначает повышенное содержание марганца.
По содержанию углерода качественные углеродистые конструкционные стали делятся на:
Стали низкоуглеродистые (углерода до 0,25%)
Сталь 05, 08,10, 15, 20,25.
Стали среднеуглеродистые (углерода свыше 0,25% до 0.6%).
Сталь 30, 35, 40, 45, 50, 58, 60.
Стали высокоуглеродистые (углерода свыше 0,6%).
Сталь 65, 70, 75, 80, 85.
Рис. 2.11 Различные виды пружин
Рис. 2.12 Рессора
Цифра в маркировке обозначает содержание углерода в сотых
Расшифровка марок:
Сталь 45 — углеродистая, конструкционная, качественная, с нормальным содержанием марганца, среднеуглеродистая, 0,45% углерода.
Сталь 65Г — углеродистая, конструкционная качественная, с повышенным содержанием марганца, высокоуглеродистая, 0,65% углерода,
По качеству эти стали делятся на две группы: качественные и высококачественные. В высококачественных сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,03% каждого.
Марки качественных сталей: У7, У8, У9 ,У10, У11, У12, У13.
Марки высококачественных сталей: У7А, У8А, У9А ,У10А, УНА, У12А, У13А.
Цифра указывает на содержание углерода в десятых долях %.
Буква У — сталь углеродистая, инструментальная.
Буква А в конце марки — сталь высококачественная.
Расшифровка марок:
У8 — углеродистая, инструментальная, качественная, 0,8% углерода.
У 13А — углеродистая, инструментальная, высококачественная, 1,3% углерода.
Применение инструментальных углеродистых сталей.
Чем больше углерода содержится в стали, тем выше твердость, а значит и хрупкость. Следовательно, стали с меньшим содержанием углерода можно использовать для изготовления инструментов, работающих на удар. Это стали: У7, У7А, У8, У8А, У9, У9А.
Из них делают зубила, кувалды, слесарные молотки, клейма, кернеры, матрицы, пуансоны и т.д.
Стали с большим содержанием углерода применяют для изготовления инструмента не подвергающегося ударным нагрузкам.
Это стали: У 10, У10А, УП, УНА, У 12, У12А, У13, У13А. Из них изготавливают резцы, сверле метчики, плашки, развертки, фрезы, калибры, напильники и т.д.
Упражнения:
Запишите марку стали по ее характеристике:
1. Углеродистая, конструкционная, обыкновенного качества, с гарантированным химическим составом, с условным номером 3, по степени раскисления полуспокойная.
Ответ: БСтЗпс
2. Углеродистая, инструментальная, высококачественная, с содержанием углерода 1,1%.
Ответ: У11А
Углеродистая, конструкционная, качественная, с нормальным содержанием марганца, низкоуглеродистая, 0,15% углерода.
Степень раскисления
Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств специально (легирующие элементы).
Стали, классифицируют по самым различным признакам. Мы рассмотрим следующие:
Химический состав.
В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79). В свою очередь углеродистые стали могут быть:
· малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;
· среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%
· высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60% Легированные стали подразделяют на:
1. низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%
2. среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;
3. высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.
Назначение.
По назначению стали бывают:
· Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.
· Инструментальные,из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.
· С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.
· С особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.
Качество.
В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на:
1. Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.
2. Качественные — до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.
3. Высококачественные— до 0.025% серы и фосфора.
4. Особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.
Степень раскисления.
По степени удаления кислорода из стали, т. е. По степени её раскисления, существуют:
· спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются);
· кипящие стали — слабо раскисленные; маркируются буквами «кп»;
· полу спокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами «пс».
Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:
1. сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);
2. сталь группы Б — по химическому составу;
3. сталь группы В — с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δт, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.
Стали обыкновенного качества обозначают буквами «Ст» и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква «Г» после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа «А» в обозначении марки стали не ставится. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают.
Ст1кп2 — углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);
ВСт5Г — углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);
Вст0 — углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).
Качественные стали маркируют следующим образом:
1 в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации;
а) в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода;
05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С;
60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С;
б) в десятых долях процента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой «У»:
У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены);
У12 — углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С;
2 легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами:
А – азот К – кобальт Т – титан Б – ниобий М – молибден Ф- ванадий
В – вольфрам Н – никель Х – хром Г – марганец
П – фосфор Ц – цирконий Д – медь Р – бор Ю – алюминий
Е – селен С – кремний Ч – редкоземельные металлы
Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).
14Г2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2,0% марганца.
03Х16Н15М3Б — высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до З,0% Мо, до 1,0% Nb.
Типы сталей по степени раскисления
На рисунке ниже показаны восемь типичных состояний промышленных стальных слитков, которые были отлиты в идентичные, сужающиеся к верху изложницы. Они распложены и пронумерованы по степени подавления выделения газов при затвердевании. Штриховыми линиями показан уровень, до которого сталь первоначально разливалась в каждой изложнице. В зависимости от содержания углерода, а еще более – от содержания кислорода, структура слитков различается. Под номером 1 идет полностью успокоенная сталь, спокойная сталь, а под номером 8 — сталь, к которой не применяли операции раскисления, сильно кипящая сталь.
Рисунок — Восемь типичных состояний промышленных стальных слитков
с различной степенью раскисления
Стали при разливке в слитки классифицируют по трем основным типам в зависимости от степени раскисления или, что тоже самое, по количеству газов, выделяющихся в ходе затвердевания слитка.
К этим четырем типам относятся:
— спокойная сталь;
— полуспокойная сталь;
— кипящая сталь.
Спокойная сталь
По-английски спокойную сталь называют слегка «устрашающе» — killed steel. Cпокойная сталь – это сталь, у которой практически не происходит выделения газов при затвердевании слитка после его разливки. Это обеспечивается полным раскислением стали — полным удалением из нее кислорода и образованием усадочной раковины в верхней части слитка. Эта часть слитка затем отрезается и отправляется в лом.
Все легированные стали, большинство низколегированных сталей и многие углеродистые стали обычно применяют в виде спокойных сталей. При непрерывной разливке сталь также «успокаивают» полностью. Спокойная сталь характеризуется гомогенной структурой и равномерным распределением химического состава и свойств.
Для получения спокойной стали ее раскисляют алюминием, а также марганцевыми или кремнистыми ферросплавами. Кроме того, иногда применяют силицид кальция и другие специальные раскислители.
Полуспокойная сталь
В полуспокойной стали выделение газов при ее раскислении подавляется не полностью, так как сталь раскисляется только частично. По-английски это называют semikilled steel. Степень выделения газов в этих сталях больше, чем в спокойных сталях, но меньше чем в кипящих. До начала выделения газов в слитке образуется корка слитка значительной толщины. У правильно «полураскисленного» стального слитка отсутствует усадочная раковина, но есть широко рассеянные по толщине пузыри в центральной зоне верхней части слитка. Эти пузыри, однако, завариваются при прокатке слитка. Полуспокойные стали обычно имеют содержание углерода от 0,15 до 0,30 %. Они находят широкое применение при производстве сортового проката, штрипса и труб.
Главными отличиями полуспокойных сталей являются:
1) различная степень неоднородности химического состава – средняя между степенями спокойной и кипящей сталей;
2) меньшая сегрегация химических элементов, чем в спокойной стали;
3) выраженная тенденция положительной химической сегрегации в центре верхней части слитка (рисунок).
Кипящая сталь
Кипящая сталь характеризуется:
— большой степенью выделения газов при затвердевании стали в изложнице;
— заметным различием химического состава по поперечному сечению слитка и между верхней и нижней частями слитка (см. рисунок).
Это приводит к образованию в наружной оболочке слитка относительно чистого железа и внутренней сердцевины слитка с высокой концентрацией легирующих и примесных элементов, особенно, углерода, азота, серы и фосфора, которые имеют низкую температуру плавления. Более чистую наружную часть слитка применяют при прокатке. Слитки из кипящей стали хорошо подходят для производства многих изделий, таких как плиты, листы, проволока, трубы, а также сортовой прокат с требованиями по чистоте поверхности и вязким свойствам.
Технология производства кипящих сталей ограничена максимальным содержанием углерода и марганца. Эта сталь не содержит сколько-нибудь заметных количеств сильных раскислителей, таких как алюминий, кремний или титан. Кипящая сталь является более дешевой, чем спокойная и полуспокойная, так для нее применяют только небольшое количество раскислителя, а верхняя часть слитка не отправляется в лом.
«Закупоренная» сталь
По-английски кипящая сталь – это обычно rimmed steel. От английского слова rim – обод, оправа, бандаж. Это термин отражает основную особенность слитка кипящей стали – наружную оболочку (оправа, обод, бандаж) из чистой стали. В англоязычной технической литературе описывают еще один тип кипящей стали – capped steel.
Сapped steel – это тип стали с характеристиками аналогичными для кипящей стали, но по степени подавления выделения газов при затвердевании она располагается между полуспокойной и кипящей сталями (см. рисунок). Название этого типа сталей происходит от английского слова cap в русском значении «крышка», так эти слитки после разливки механически или химически закрывают, «закупоривают» сверху. Поэтому их русским термином могло бы быть «закупоренные стали».
Для производства «закупоренных» стальных слитков применяют меньше раскислителей, чем для полуспокойных слитков. Это дает возможность в определенной степени управлять формированием наружного слоя слитка при его затвердевании.
Технология закупоривания слитков является вариацией технологии производства кипящей стали. Операция закупоривания слитка ограничивает время для выделения газов и предотвращает образование чрезмерного количества газовых пузырей внутри слитка. Закупоренные слитки обычно применяют к сталям с содержанием углерода более 0,15 %, из которых производят листы, ленты, тонкие плиты, штрипсы, проволоку и прутки.
При механическом закупоривании стальных слитков применяют тяжелые чугунные крышки, чтобы загерметизировать изложницу сверху и остановить образование наружной оболочки, как это происходит у кипящих слитков. Химическое закупоривание слитков производят в открытых изложницах. Закупоривание выполняется путем добавки алюминия или ферросилиция сверху изложницы, что приводит к быстрому затвердеванию верхней поверхности слитка. Верхняя часть слитка потом отрезается и отправляется в лом.
