Тема 5. Классификация сталей, маркировка 1

5.1. Классификация сталей 1

5.2. Развитие технологических схем производства стали 8

5.3. Маркировка стали и сплавов 9

5. Классификация сталей, маркировка

Сталью называют сплав на основе железа, содержа­ние которого в сплаве выше, чем содержание любого другого ме­таллического (Мn, Сr, Ni, W, V, Мo и др.) или неметаллического (С, Si, S и Р) элемента, а содержание углерода не превышает 2,14 %.

Сталь обладает разнообразными свойствами: способностью к деформации в нагретом и холодном состоянии, хорошей свари­ваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием, высокими твердостью, пластичностью и износостойкостью, высокой корро­зионной стойкостью, способностью выдерживать высокие и низ­кие температуры.

1. Классификация сталей

Единой мировой системы классификации стали нет. В России классификация стали и требования к ее составу и качеству обусловливаются соответствующими государственными стандартами и техническими условиями. Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнообразны по своим свойствам.

Сталь классифицируется по назначению, химическому составу, характеру затвердевания, качеству и способу производства.

1. По назначению. По этому признаку можно выделить следующие основные группы сталей: конструкционные, инструментальные и специальные.

К конструкционным относятся стали для изготовления деталей механизмов и машин, и элементам конструкций. Им предъявляется определенный уровень механических свойств, определяемых при статических и динамических нагрузках.

К инструментальным относятся стали, отличающиеся высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, что позволяет изготавливать из них инструмент для обработки давлением или резаньем.

Специальные стали отличаются особыми химическими и физическими свойствами (нержавеющая, трансформаторная, электротехническая, шарикоподшипниковая и т.д.).

2. По химическому составу. Различают стали углеродистые и легированные.

В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называются углеродистыми. Углеродистые стали, делятся на три подгруппы:

 малоуглеродистые  содержание углерода в стали до 0,2%;

 среднеуглеродистые  от 0,3 до 0,8%;

 высокоуглеродистые  более 0,8%.

В равновесном состоянии (после медленного охлаждения) твердость и хрупкость углеродистой стали увеличивается с по­вышением содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода называют мягкими, с высоким содержанием углерода - твердыми (табл. 5.1-1).

Таблица 5.1-1

Механические свойства углеродистых сталей в зависимости

от содержания углерода

Углеродистые стали обладают рядом существенных недостатков:

 высокой критической скоростью закалки (наименьшей скоростью охлаждения, при которой образуется мартенсит);

 плохой прокаливаемостью (глубина проникновения закалки от охлаждаемой поверхности к центру);

 низкой антикоррозионной стойкостью и т.д.

Введение в сталь в определенных количествах элементов, называемых легирующими, позволяет устранить указанные недостатки углеродистой стали, а также получить те или иные особые физико-химические и физико-механические свойства, которыми углеродистая сталь не обладает. Такую сталь называют легированной.

Легирующим называют элемент, вводимый в сталь для получения определенных свойств. Элементы, содержание которых в стали связано со способом производства не являются легирующими. Наиболее используются следующие легирующие элементы:

 Ni, Mn, Cr – стабилизируют -фазу;

 Si – стабилизирует -фазу;

 V, Mo – образует дисперсные фазы.

Легированные стали делятся по содержанию легирующего элемента:

 на низколегированные – легирующих элементов до 3%;

 среднелегированные  3-10%;

 высоколегированные  более 10%.

Низко- и среднелегированные, как правило, являются конструкционными сталями. Высоколегированные – инструментальные и специальные.

3. По характеру затвердевания сталь подразделяется на кипящую, спокойную и полуспокойную.

Кипящая  это сталь, затвердевающая с признаками кипения. Эффект кипения производится образованием газа СО по химической реакции

[C] + [O] = {CO}. (5.1-1)

Реакция возможна при наличии растворенного кислорода в металле. Из-за повышенного содержания кислорода в металле ([О] ≥ 0,025%), такая сталь называется малораскисленной.

Спокойная  это сталь, затвердевающая без признаков кипения, т.е. сталь с низким содержанием кислорода в металле ([О] ≤ 0,003%); такая сталь называется глубокораскисленной.

Полуспокойная  это сталь, занимающая промежуточное положение по характеру затвердевания и степени раскисленности ([О] ≤ 0,012%) между спокойной и кипящей сталью.

4. По качеству. Стали обычно делят на группы, различия между которыми заключается в допускаемом содержании вредных примесей (фосфора и серы):

 стали обычного качества, в них содержание фосфора и серы допускается до 0,045%;

 качественные  до 0,035%;

 высококачественные  до 0,025%;

 особовысококачественные  фосфора до 0,025%, серы до 0,015%.

5. По способу производства. В основу классификации положено физическое состояние получаемого продукта:

 производство стали в твердом состоянии;

 в размягченном состоянии;

 в жидком состоянии (литая сталь).

Способы получения стали в твердом состоянии

Сущность  получение железа путем непосредственного восстановления из руд углем или восстановительными газами. Температура процесса  1100^оС. Температурный режим исключает расплавление оксидов пустой породы шихтового материала и расплавление металла. Готовый продукт железа получается в виде губки и называется губчатым железом.

Известны две разновидности процессов получения губчатого железа:

1. Восстановление оксидов железа в подвижном фильтрующем слое; агрегатом для этого служит шахтная печь (объем до 40 м³). Восстановитель – подогретые восстановленные газы, получаемые путем углекислотной конверсии природного газа

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂ . (5.1-2) Эта же реакция используется в процессе Виберга для регенерации отработанных газов.

Степень металлизации руды 86-96%. Чистота губчатого железа определяется чистотой рудного материала.

2. Восстановление в стационарном фильтрующем слое; агрегатом для этого служат периодически действующие реакторы. Восстановитель тот же. Степень металлизации руды 92-98%.

Это основные способы получения сырья для порошковой металлургии железа. Губка подвергается дроблению и сепарации.

Способы получения стали в размягченном состоянии

Особенность процессов  протекание восстановления в интервале температур 1250-1350^оС, в котором уже протекает расплавление оксидов пустой породы шихтовых материалов с образованием шлака.

Готовое железо получается в виде размягченных частичек, сваренных между собой.

Готовый продукт этих процессов  конгломерат спекшихся частиц металла и шлака, называемый крица. Отделение шлака осуществляется путем нагрева крицы до температур 1100-1200 ^оС и проковки ее на молотах. В процессе проковки происходит отделение жидкого шлака, а также сваривание частиц железа в единый монолит, т.е. готовым продуктом является сварочное железо, которое отличается высокой коррозионной стойкостью.

По существу процессов различают следующие разновидности:

1. Непосредственное восстановление из руд. Процессы протекают в контакте расплавленных материалов, раскаленный уголь, руда и сырое дутье. Этот процесс называется сыродутным. Современный его аналог  руднокричный процесс. Осуществляется во вращающихся печах. Недостатки: низкая производительность, низкая степень восстановления железа.

2. Восстановление из чугуна. Путем окисления его примесей. Осуществляется в кричных горнах в контакте раскаленной руды и чугуна. Примеси окислялись за счет кислорода руды.

3. Пудлинговый процесс. На поду плазменно-отражательной печи. Путем перемешивания в ванне жидкого чугуна и железистого шлака. Современный аналог  процесс Астон-Байерс. Предварительно продутый в конвертере жидкий металл сливается в шлаковую чашу, заполненную расплавленной рудой при температуре 1250-1350^оС. При контакте капель металла и руды происходит тот же процесс взаимодействия.

Способы получения стали в жидком состоянии (литая сталь)

Характерная особенность  температура процесса 1600-1650 ^оС. Процессы классифицируют по типу агрегата: конвертерные, мартеновские, электропечные. Сталь соответственно называется конвертерная, мартеновская, электропечная. В настоящее время 99% стали получается в жидком состоянии по двухстадийной схеме «чугун-сталь», то есть на первой стадии получают из руды полупродукт – чугун, а на второй  литую сталь. Примерный химический состав чугуна и готовой стали, температуры ликвидуса (t_ликв) и выпуска (t_вып) приведены в табл.5.1-2.

Таблица 5.1-2

Характеристика чугуна и сталей

Материал	Химический состав, %					Температура, ^оС
	C	Si	Mn	P	S	tликв	tвып
Чугун	3,8- 4,5	0,75-1,25	0,6-1,75	0,2-0,3	0,02-0,08	1250	1400
Сталь:  спокойная  кипящая	0,2-0,8 0,2	0,17-0,37 	0,5-0,6 0,25	0,025 - 0,045 -"-	0,015 -0,045 -"-	1480 - 1520	1620-1650

Сталь выпускается при температуре t_ликв + t, где t - технологический перегрев металла, необходимый для проведения различных процессов (легирования, внепечной обработки, разливки стали и т.д.), которые связаны с охлаждением стали и t  100-150 ^о.

Согласно данным табл. 5.1-2 можно отметить две технологических задачи, которые необходимо решать при переработке чугуна в сталь:

1. снижение концентрации примесей путем их окисления кислородом;

2. нагрев металла до температуры выпуска.

Рассмотрим сталеплавильные процессы. Их отличие заключается в способе нагрева металла и способе введения кислорода.

В конвертерных процессах высокие температуры, необходимые для процесса развиваются за счет экзотермических реакций окисления примесей. Кислород необходимый для окисления примесей вводится в виде воздуха или технически чистого кислорода.

Мартеновский процесс. Основной источник тепла для нагрева металла  сжигание топлива в рабочем пространстве печи. В факеле горения смешиваются воздух, нагретый до температуры 1100-1200 ^оС, природный газ и мазут. Нагрев воздуха проводят с использованием регенерации дымовых газов.

Основным источником кислорода для окисления примесей является газовая фаза рабочего пространства печи  это продукты горения топлива (СО₂, СО, Н₂О, О₂^изб).

Дополнительным источником кислорода в процессе является кислород оксидов железной руды (агломерат или окатыши) и технически чистый кислород.

В электросталеплавильном процессе задача нагрева металла решается за счет преобразования электрической энергии в тепловую. В зависимости от способа преобразования энергии различают печи дуговые, индукционные, сопротивления и электронно-лучевые. Наиболее распространенный агрегат  дуговая сталеплавильная печь, где электрическая энергия преобразуется в тепловую в электрической дуге (температура дуги более 3000 ^оС).

Основной источник кислорода для окисления примесей  это кислород оксидов железной руды и технически чистый кислород.

Дополнительный источник – кислород газовой фазы.