легированные стали. Состав стали
 Скачать 83.34 Kb.
|
|
Легированными называют стали, в химический состав которых добавлены другие металлы. Но недостаточно просто смешать расплав, все компоненты связываются на молекулярной уровне, формируя новые соединения и типы кристаллических решеток. Легирование было известно человечеству давно. Некоторые месторождения были богаты железными рудами с включениями молибдена и ванадия. Из них производили дамасские и булатные клинки, самурайские мечи и другое редкое оружие. “Метеоритное железо” ценилось на вес золота и даже выше. Но управлять качествами по собственному желанию люди не могли до конца XIX в. Состав стали: Железо — основа, не менее 45%; Углерод — до 2,14% материал с более высоким содержанием причисляют к чугуну; Полезные примеси: марганец, кремний; Вредные: сера, фосфор. С изменением взглядов на химию было открыто, что присадки некоторых элементов способны встраиваться в железо-углеродную структуру, изменяя ее химические и физические свойства. Первым удачным опытом легирования было получение сплава с 9% вольфрама и 2,5% марганца Р. Мюшеттом в 1858 г. Впоследствии ученый усовершенствовал разработку и на заводе в Шеффилде началось массовое сталелитейное производство. Из так называемой “самокалки” изготавливали режущий инструмент для обработки дерева и металла. Первые эксперименты по хромированию произвел Джулиус Баур, затем его опыт расширил французский металлург Анри-Ами Брустляйн, подготовив описание 12 хромистых составов с указанием особенностей. Одновременно с этим Джеймс Райли наладил производство никелевой стали в Англии. Сталь, усиленную никелем, начали использовать для производства велосипедных цепей и осей карет-автомобилей. Главным толчком к развитию технологии послужил автопром, новые модели на рубеже веков появлялись каждые 2-3 недели и приносили баснословные деньги. Первыми масштабными объектами строительства с применением легирования были мосты: Манхэттенский и Куинсборо. Число разработок кратно возросло с наступлением войны. Углеродная составляющая придает твердость, но вместе с тем сплав малопластичен, легко разрушается от ударных воздействий, плохо переносит холод. Железо — один из самых активных химических элементов, и не встречается в чистом виде. Даже будучи связанным в соединениях, оно вступает в реакции с более агрессивными веществами. Легирование решает ряд задач: Делает структуру однородной; Препятствует окислению; Предотвращает водородную болезнь; Одновременно увеличивает прочность и ударную вязкость; Придает дополнительные физические и химические характеристики. При всех очевидных достоинствах, которыми обладают легированные инструментальные стали либо прочие, недостатки тоже присутствуют: Для них характерна дендритная ликвация, но, к счастью, этого можно избежать проведением диффузионного отжига. Высоколегированные марки могут содержать остаточный аустенит, из-за чего снижается сопротивляемость к усталости и твердости материала. Не исключается появление флокенов – так называемых трещин в структуре стали. Данного дефекта можно избежать путем замедления охлаждения металла, а также снижения содержания водорода в ходе выплавки. В зависимости от разновидности термической обработки позволяют избежать появления большинства дефектов. В результате чего сталь приобретает необходимые, порой уникальные качества. Сегодня к материалам предъявляют разные требования, например стойкость к истиранию и критически-низким температурам, способность длительно обеспечивать работу печного оборудования. В пищевой промышленности действует регламент по отсутствию вредных примесей. С развитием технологий, металлурги получили возможность работать с расплавами при температуре до 20 тыс. градусов. Это дало возможность легирования тугоплавкими металлами. Классификация легированных сталей Содержание углерода влияет на свойства, если оно находится в пределах 0,25-2,14% сталь называют углеродистой. Классификация производится следующим образом: низкоуглеродистые стали (до 0,25% углерода); среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода); высокоуглеродистые стали (более 0,65% углерода). Для того, чтобы добавить что-то, нужно удалить часть компонентов, иначе связывания не произойдет. Во время очистки снижаются концентрации вредных примесей и кислорода. Углерод удаляют выжиганием, путем выпадения карбидных соединений и другими способами. Добавлять присадки можно в любую сталь, но это не всегда дает нужный эффект. В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех категорий: низколегированная (не более 2,5%); среднелегированная (не более 10%); высоколегированная (от 10% до 50%). Введение присадок влечет за собой рекристаллизацию и образование новой структуры. Для сталей определены классы по форме кристаллической решетки: Ферриты — магнитны, решетка неустойчива и может преобразовываться при нагревании и охлаждении в перлит, сорбит или тростит. К классу принадлежат все низколегированные и углеродистые стали. Устойчивые связи формируются при снижении углерода до 0,15% и легировании хромом. Аустениты — образуются при высокой доле никеля, хрома и марганца. Структурное строение обеспечивает жаростойкость, коррозионную стойкость и пластичность. Класс составляют хромоникелевые нержавейки. Мартенситы — при охлаждении после закалки происходит мартенситовое превращение, формируются кубические ячейки, которые составляют кристаллы игольчатого или реечного типа. Металл приобретает память, частично восстанавливается после деформации. Переход в такое состояние возможен для сталей с добавками хрома, молибдена, ванадия, вольфрама, ниобия и других добавок, отвечающих за жаропрочность. Металлическая кристаллическая решетка организуется в виде фаз, обычно одновременно присутствуют две фазы. Например, сочетание аустенита и феррита. Нужную фазу увеличивают путем регулирования присадок и термических воздействий. По своему практическому применению легированные конструкционные стали могут быть: конструкционные (подразделяются на машиностроительные или строительные), инструментальные, а также стали с особыми свойствами. При выплавке из руды сначала получают чугун, который затем очищают от газов, оксидов и других включений. Этот процесс называют рафинированием. Удаление кислорода производится с помощью угля, шлака, марганца и других раскислителей, способных образовывать газы или тяжелые оксиды, которые выпадают в осадок. Обезуглероживание осуществляется водородом и выгоранием карбидов с образованием угарного газа и окалины. Сегодня на некоторых предприятиях действуют передовые методы, например, газокислородное рафинирование. Результат этих процедур определяет качество стали: Обыкновенные (рядовые): наиболее дешевый материал, углерода до 0,6% в толще присутствуют пузырьки воздуха. Самые распространенные: СтО, Ст3сп, Ст5кп. Качественные: в структуре присутствуют кислород, азот, водород. качественными считаются спокойные, полуспокойные и кипящие марки. В кипящих концентрация газов максимальна. Сплавы могут быть углеродистыми и легированными: Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ, 8ХФ. Высококачественные: выплавка преимущественно осуществляется в электропечах без использования угля. Концентрации серы и фосфора снижены до 0,03%. Примеры: 6ХВ2С, 6Х3ФС; Особовысококачественная: расплавы подвергаются глубокой очистке от оксидов, сульфидов, неметаллических включений, содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например, 30ХГС3-Ш. Назначение конструкционных легированных сталей: Машиностроительные — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку. Строительные — чаще всего используются при изготовлении сварных металлоконструкций и термической обработке подвергаются в редких случаях. Классификация машиностроительных легированных сталей выглядит следующим образом. Жаропрочные стали активно используются для производства деталей, предназначенных для работы в сфере энергетики (например, комплектующие паровых турбин), а также из них делают особо ответственный крепеж. В качестве легирующих добавок в них используют хром, молибден, ванадий. Жаропрочные относятся к среднеуглеродистым, среднелегированным, перлитным сталям. Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, при производстве которых используют закалку, применяются для изготовления сильно нагруженных деталей, испытывающих нагрузки переменного характера. Отличаются чувствительностью к концентрации напряжения в рабочей детали. Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, как можно понять по названию, подвергаются цементации и следующей после нее закалке. Их применяют для изготовления всевозможных шестерен, валов и других похожих по назначению деталей. Классификация строительных легированных сталей подразумевает их разделение на следующие виды: Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката. Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов. Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности — хорошо противостоит хрупкому разрушению. Судостроительная хладостойкая высокой прочности — для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур. Для горячей воды и пара — допускается рабочая температура до 600 градусов. Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений. Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали. Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения. Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов. Инструментальная легированная сталь широко используется при производстве разнообразного инструмента. Но помимо явного превосходства над углеродистой сталью в плане твердости и прочности, у легированной стали есть и слабая сторона — более высокая хрупкость. Поэтому для инструмента, который активно подвергается ударным нагрузкам, такие стали не всегда подходят. Тем не менее при производстве огромного перечня режущего, ударно-штампового, измерительного и прочего инструмента именно инструментальные легированные стали остаются незаменимыми. Отдельно можно отметить быстрорежущую сталь, отличительными особенностями которой являются крайне высокая твердость и красностойкость до температуры 600 градусов. Такая сталь способна выдерживать нагрев при высокой скорости резания, что позволяет увеличить скорость работы металлообрабатывающего оборудования и продлить срок его службы. К отдельной категории относятся легированные конструкционные стали, наделенные особыми свойствами: нержавеющие, с улучшенными электрическими и магнитными характеристиками. От того, какие элементы, а также в каких количествах преимущественно содержатся в них, они могут быть хромистыми, никелевыми, хромоникельмолибденовыми. Также они делятся на трех-, четырех- и более компонентные по числу содержащихся в них легирующих добавок. Легирующие элементы и их влияние на свойства сталей Маркировка легированных сталей указывает на то, какие добавки в ней содержатся, а также на их количественное значение. Но также важно знать и то, какое именно влияние на свойства металла оказывает каждый из этих элементов в отдельности. Легированные стали работают в широком диапазоне температур, но крайне чувствительны к термообработке. Каждый элемент имеет свои свойства, температуру плавления и рекристаллизации. Сварные соединения может выполнять только профессионал. Выбор методов сварки осуществляют после изучения технической документации, рекомендаций производителя. При нагреве наблюдается выгорание карбидов, перераспределение присадок в толще сварного шва и одновременное окисление. Для предотвращения образования дефектов используют защитные среды и специальные терморежимы. Легирование снижает теплопроводность, без должного отвода тепла легко получить перегрев и распад некоторых химических связей. Определение особенностей по основным легирующим добавкам: Хром Добавка хрома увеличивает коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость, является основным компонентом при создании нержавеющей стали. Никель Никель повышает пластичность, вязкость, теплоемкость сплава, увеличивает его сопротивляемость к образованию трещин и коррозии, улучшает возможности термообработки. В связи с этим ферроникель – один из самых распространенных и востребованных ферросплавов глобальной металлургической отрасли. Титан Снижает зернистость, делает структуру более однородной, а значит, менее подверженной появлению трещин и расколов. Дополнительно улучшается восприимчивость к металлообработке и устойчивость к ржавлению. Ванадий Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв. Молибден Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость. Вольфрам Кроме повышения твердости, он еще и помогает при термообработке – зернистость не увеличивается при нагреве, а при отпуске не сильно страдает ломкость. Кремний При содержании до 1-15% кремний повышает прочность, сохраняя вязкость. При увеличении процента содержания кремния повышается магнитопроницаемость и электросопротивление. Также данный элемент увеличивает упругость, стойкость к коррозии и сопротивляемость к окислению, но также повышает хрупкость. Кобальт Хорошо защищает от быстрого разрушения под воздействием высоких температур, делает выше ударопрочность. Алюминий Добавляет окалиностойкость, то есть при большом жаре не происходит быстрого окисления. Процесс легирования начинается с очистки от примесей, обезуглероживания и раскисления, затем вводят присадки. Нередко после изготовления готовой продукции полуфабрикатам требуется дополнительная рекристаллизация. Легирующие элементы не только встраиваются в структуру, они образуют интерметаллические включения и дисперсные частицы, упрочняющие молекулярное строение. Среди технических характеристик сталей есть такие, как термоупрочнение, упрочнение давлением. Отдельно стоит упомянуть примеси и их влияние на свойства сталей. Любая сталь всегда содержит технологические примеси, так как полностью удалить их из состава стали чрезвычайно трудно. К такого рода примесям относятся углерод, серу, марганец, кремний, фосфор, азот и кислород. Углерод Оказывает на свойства стали очень значительное влияние. Если его содержится до 1,2%, то углерод способствует повышению твердости, прочности, предела текучести металла. Превышение указанного значения способствует тому, что начинает значительно ухудшаться не только прочность, но и пластичность. Марганец Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь. Сера При превышении содержания серы выше 0,65% механические свойства стали существенно снижаются, речь идет об уменьшении уровня пластичности, коррозионной стойкости, ударной вязкости. Также высокое содержание серы негативно влияет на свариваемость стали. Фосфор Даже незначительное превышение содержания фосфора выше необходимого уровня чревато повышением хрупкости и текучести, а также снижением вязкости и пластичности стали. Азот и кислород При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости. Водород Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости. Маркировка легированных сталей К категории легированных относится большое разнообразие сталей, что и вызвало необходимость в систематизации их буквенно-цифрового обозначения. Требования к их маркировке оговаривает ГОСТ 4543-71, согласно которому сплавы, наделенные особыми свойствами, обозначаются маркировкой, где на первой позиции стоит буква. По этой букве как раз и можно определить, что сталь по своим свойствам относится к определенной группе.  Так, если маркировка легированных сталей начинается с букв «Ж», «Х» или «Е» — перед нами сплав нержавеющей, хромистой или магнитной группы. Сталь, которая относится к нержавеющей хромоникелевой группе, обозначается буквой «Я» в ее маркировке. Сплавы, относящиеся к категории шарикоподшипниковых и быстрорежущих инструментальных, обозначаются буквами «Ш» и «Р». Стали, относящиеся к легированным, могут принадлежать к категории высококачественных, а также особо высококачественных. В таких случаях в конце их марки ставится буква «А» или «Ш» соответственно. Стали, которые обладают обычным качеством, таких обозначений в своей маркировке не имеют. Специальное обозначение также имеют сплавы, которые получены прокатным методом. В таком случае в маркировке присутствует буква «Н» (нагартованный прокат) или «ТО» (термически обработанный прокат). Точный химический состав любой легированной стали можно посмотреть в нормативных документах и справочной литературе, но получить такую информацию позволяет и умение разбираться в ее маркировке. Первая цифра позволяет понять, сколько углерода (в сотых долях процента) содержит легированная сталь. После этой цифры в марке перечисляются буквенные обозначения легирующих элементов, которые содержатся дополнительно.  После каждой такой буквы проставляется количественное содержание указанного элемента. Выражается это содержание в целых долях. После буквы, обозначающей элемент, может не стоять никакой цифры. Означает это то, что его содержание в стали не превышает 1,5%. Государственный стандарт 4543-71 регламентирует обозначение легирующих добавок, входящих в состав легированной стали: А — Азот, Б — Ниобий, В —Вольфрам, Г — Марганец, Д — Медь, К — Кобальт, М — Молибден, Н — Никель, П — Фосфор, Р — Бор, С — Кремний, Т — Титан, Ц — Цирконий, Ф — Ванадий, Х — Хром, Ю — Алюминий. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1%, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1% или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится. В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2 %, никель 1–4 %, марганец до 2 %, кремний 0,6–1,2 %. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, %: Мо 0,2–0,4; W 0,5–1,2; V 0,l–0,3; Ti 0,1–0,2. Некоторые из них, повышая какие-то определенные свойства материала, занижают другие качества. К примеру, при помощи марганца можно существенно повысить прочность и твердость металла наряду с улучшением режущих качеств. В то же время это приводит к увеличению зерна, что снижает стойкость к ударным нагрузкам. Добавление хрома, наоборот, может повысить эти качества и одновременно с этим увеличить жаропрочность. Благодаря никелю сплав становится более упругим, а если его количество преобладает, то металл приобретает высокие показатели коррозийной стойкости и жаропрочности. Нержавеющая сталь, о которой знает каждый, это как раз сплав из последних двух металлов либо материал с содержанием хрома 27 %. Использование легированных сталей Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам легированная сталь применение находит в машиностроении, изготовлении инструментов, труб и строительных материалов. Детали машин обычно изготавливают из перлитных металлов. К этой категории материалов относятся низколегированные и среднелегированные стали, которые после отжига имеют структуру позволяющую легко обрабатывать металл с помощью режущего инструмента. Низколегированные стали благодаря повышенным прочностным характеристикам позволяют существенно экономить денежные средства при строительстве крупногабаритных сооружений и машин. Например, в судостроительстве благодаря использованию материала удаётся уменьшить толщину применяемого металла. Легированные стали с добавками хрома широко используются для производства изделий, которые устойчивы к воздействия молочной и уксусной кислоты, а также следующих деталей работающих под значительным давлением: Поршневые пальцы, карданные крестовины и другие изделия предназначенные для эксплуатации в условиях повышенного износа. Кулачковые муфты, плунжеры и шлицевые валики. Шестерни коробок передач и червячные валы, а также другие изделия для работы на малых и средних скоростях. Высоколегированная сталь широко используется для производства деталей устойчивых к коррозионному разрушению. Такие изделия также устойчивы к высоким температурам и способны работать в условиях до +1100 градусов. Легированные стали по причине их высокой стоимости используются только для производства самых ответственных конструкций и деталей, где изделия из других металлов просто не смогут выполнить возложенные на них задачи. Производство легированных сталей Процесс производства легированных инструментальных сталей или иных проходит в несколько этапов с использованием электродуговых печей: Железная руда очищается. Плавление металла. Добавление легирующих элементов. В процессе очистки железная руда избавляется от нежелательных примесей, таких как сера и фосфор. Все это происходит в плавильной печи открытого типа. Также используется технология внепечной обработки стали. Другой технологический необходимый процесс – это вакуумная плавка, в результате которого удаляется мышьяк и ряд примесей цветных металлов. Для плавки металла уже используется электродуговая печь, для чего в ней сырье разогревается до высокой температуры 400-600 °C. Здесь железо начинает превращаться в чугун, для которого характерна неустойчивая кристаллическая решетка. Но посредством стабилизации из него получается какая-нибудь марка легированной стали. Делается это следующим образом. В рабочую камеру поступает кислород, при сгорании которого атмосфера камеры снабжается углеродом. Он начинает смешиваться с железом, что и ведет к образованию стали. Потом уже в сырье начинают добавлять различные добавки в зависимости от необходимых свойств металла. Кристаллическая решетка становится более плотной, и в результате получается легированная продукция. |