Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Изменение структуры при добавлении углерода

Показатели прочности и пластичности зависят от структуры и ее изменений при увеличении содержания углерода.

При доле до 0,2% образуется феррит и третичный цементит, дальнейшее увеличение приводит к образованию эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Значение показателя перлита постепенно повышается и при углероде 0,8% содержится только перлит. Если содержание более 0,8% появляются иглы вторичного цементита и перлит.

Образование цементита происходит до 2% углерода, при этом снижается прочность из-за хрупкости цементитной сетки по границам перлитных зерен. При превышении этого значения формируется эвтектическая смесь.

Как влияет содержание углерода на свойства сталей

Содержание углерода и легирующих элементов определяет свойства углеродистых сталей. Состав сплава содержит железо, углерод, магний, кремний, марганец, серу и фосфор. Количество одного компонента по отношению к общей массе определяет вязкость, пластичность, прочность и твердость металла. Углеродистые стали классифицируют по химическому составу, способу изготовления, назначению и степени раскисления. Металлопрокат производят из разных марок стали. продает металлопродукцию из углеродистых сталей, соответствующих ГОСТу 380-2005 и 1050-2005.

Новые свойства и преимущества сплава

Углерод в составе стали дает ей дополнительные преимущества, прежде всего это:

• достаточная твердость поверхностного слоя и относительная мягкость внутреннего слоя;
• хорошая обрабатываемость;
• долговечность;
• доступная цена.

С увеличением доли углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность, следовательно, чем его больше, тем труднее процесс обработки резанием, хуже показатели деформации и сваривания. Исходя из этого выделяют следующие виды стали:

1. Низкоуглеродистые, с долей менее 0,25%. Они достаточно пластичны, легко поддаются деформации и обработке.
2. Среднеуглеродистые, с долей 0,3-0,6%. Этот вид также пластичен, имеет средний показатель прочности.
3. Высокоуглеродистые, с долей 0,6-2%. С низкой вязкостью и высоким показателем прочности. Сварка производится только с предварительным разогревом до 225 градусов.

Помимо основных механических свойств, увеличение содержания углерода дает повышение порога хладноломкости.

Состав

Сталь – железо, обогащенное углеродом в процессе плавки. Для углеродистых выплавок характерно наличие углерода, который определяет основные свойства металла, и примесей: фосфора (до 0,07%), кремния (до 0,35%), серы (до 0,06%), марганца (до 0,8%). Так, низкоуглеродистая сталь содержит не более 0,25% углерода.

Что касается других добавок, марганец и кремний служат раскислению (удалению кислорода из жидкого металла, что уменьшает хрупкость при горячей деформации). А вот повышенный процент серы может привести к растрескиванию сплава при термической обработке, фосфора – при холодной.

Применение углеродистой стали

Сферы применения зависят от механических свойств, и, следовательно, от того, сколько углерода в стали. С показателем 0,7-1,3% углеродистую сталь используют для изготовления режущих и ударных инструментов. Маркируют их буквой «У», последующая цифра характеризует долю, например, У13. Чем выше показатель, тем больше влияние углерода на механические свойства стали.

Низкоуглеродистые стали разделяют на подгруппы в зависимости от назначения:

1. Низкоуглеродистые: 05, 08, 10. Благодаря своей пластичности используются в холодной штамповке для изготовления шайб, прокладок, кожухов и иных деталей.
2. Низкоуглеродистые: 15, 20, 25. Такое значение углерода в составе стали дает повышенную твердость и достаточный задел вязкости, применяются для изготовления деталей малого размера (кулачков, толкателей, малонагруженных шестерней).
3. Среднеуглеродистые: 30, 35, 40, 45, 50, 55. Применяются для изготовления коленчатых валов малооборотных двигателей, зубчатых колес, маховиков – деталей, у которых работоспособность определяется сопротивлением усталости. Используют после нормализации и поверхностной закалки, которые повышают вязкость и пластичность, соответственно, улучшается показатель обрабатываемости.
4. Высокоуглеродистые: 60, 65, 70, 75, 80, 85. Применяются для изготовления рессор, эксцентриков и пружин. Предварительно подвергаются закалке и среднему отпуску, что улучшает свойства упругости необходимые для изготавливаемых деталей.
5. Котельные: 12К-22К. Используют для изготовления оборудования, эксплуатируемого при высоких температурах (сосуды и котлы для турбин и камер сгорания).
6. Сталь автоматная. Нашла применение для изготовления крепежных изделий автомобилей в статических нагрузках (шпильки, гайки, болты).

Материаловед

Стали являются наиболее распространёнными материалами. Обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием.

Достоинством является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя состав и вид обработки. Стали, подразделяют на углеродистые и легированные.

Влияние углерода и примесей на свойства сталей

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

Влияние углерода.

Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 10.1

Рис.10.1. Влияние углерода на свойства сталей

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности , а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние примесей.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS . Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.

Располагаясь вблизи зёрен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25ºС.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.

Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

Сера уменьшает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988ºС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зёрнами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость аи пластичность (и ), а также предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси — газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO2 , Al2O3)нитридов (Fe 2N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.

Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180, лучше в вакууме мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси, которые специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали — легированные сталями.

Назначение легирующих элементов.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей — (0…-100) ºС.

Дополнительные легирующие элементы.

Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладоломкости (+20…-60) ºС.

Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна и повышает порог хладоломкости до (+40…-60) ºС.

Титан (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снихает порог хладоломкости до –20…-120 ºС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.

Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция способствует улучшению обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.

Растворение легирующих элементов происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решётки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а твкже кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d–электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдаёт свои валентные электроны на заполнение d электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обусловливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo2C, WC, VC, TiC, TaC, W2C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

4. Случайные примеси.

Классификация и маркировка сталей

Классификация сталей

Стали классифицируются по множеству признаков.

1. По химическому: составу: углеродистые и легированные.
2. По содержанию углерода:

а) низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %; б) среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %; в) высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %

1. По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

1. По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора:

а) углеродистые стали обыкновенного качества: б) качественные стали; в) высококачественные стали.

1. По способу выплавки:

а) в мартеновских печах; б) в кислородных конверторах; в) в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

1. По назначению:

а) конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов; б) инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов; в) специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

Маркировка сталей

Принято буквенно-цифровое обозначение сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380).

Стали содержат повышенное количество серы и фосфора

Маркируются: Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.

Ст – индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 — это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существуют три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав.

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная.

Качественные углеродистые стали

Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности в основном спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали. Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.

Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.

Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом , указывающим содержание углерода в десятых долях процента.

Сталь У8, сталь У13.

Содержание углерода соответственно 0,8 % и 1,3 %

Инструментальные высококачественные углеродистые стали. Маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А для обозначения высокого качества стали.

Сталь У10А.

Качественные и высококачественные легированные стали

Обозначение буквенно-цифровое. Легирующие элементы имеют условные обозначения, Обозначаются буквами русского алфавита.

Обозначения легирующих элементов:

Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот ( указывается в середине марки), Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Ю – алюминий.

Легированные конструкционные стали

Сталь 15Х25Н19ВС2

В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его содержание в процентах,

Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %.

В указанной марке стали содержится 0,15 % углерода, 35% хрома, 19 % никеля, до 1,5% вольфрама, до 2 % кремния.

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Легированные инструментальные стали

Сталь 9ХС, сталь ХВГ.

В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1 %, число не указывается,

Далее перечисляются легирующие элементы с указанием их содержания.

Все легированные инструментальные стали – высококачественные.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

Быстрорежущие инструментальные стали

Сталь Р18

Р – индекс данной группы сталей (от rapid – скорость). Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама .

В указанной стали содержание вольфрама – 18 %.

Если стали содержат легирующие элемент, то их содержание указывается после обозначения соответствующего элемента.

Шарикоподшипниковые стали

Сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС

Ш – индекс данной группы сталей. Х – указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает содержание хрома в десятых долях процента, в указанных сталях, соответственно, 0,6 % и 1,5 %. Также указываются входящие с состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1 %.

Влияние других примесей

Как и углерод, иные химические элементы в составе стали влияют на ее механические свойства:

• кремний – используется как активный раскислитель;
• марганец – снижает влияние кислорода и серы, уменьшает стойкость к нагрузкам;
• сера и фосфор – увеличивают показатель красноломкости, относятся к категории вредных примесей;
• титан – улучшает показатели прочности и пластичности;
• хром – повышает жаростойкость и стойкость к стиранию;
• никель – улучшает вязкость и упругость;
• медь – оказывает влияние на стойкость к коррозии.

Механические свойства стали полностью зависят от ее состава и наличия тех или иных примесей. Именно эти характеристики необходимо учитывать при применении стали в промышленном производстве. Некоторое негативное влияние содержания элементов можно снизить дополнительными методами улучшения – термическим упрочением поверхности (цементация) или добавлением антикоррозийной защиты, проще говоря – гальваника, покрытие которой увеличивает срок службы изделия.

Качественные машиностроительные стали

В обширной классификации сплавов данного типа выделяют стали обыкновенного качества и качественные машиностроительные (конструкционные) стали. К первым не предъявляются специальные требования в отношении выбора шихты и плавки. В полученном сплаве может содержаться до 0,08% фосфора и до 0,06% серы. Материал идет на производство горячекатаного металлопроката.

Требования к технологии выплавки качественных сталей более высоки. Плавка осуществляется только в электропечах, позволяющих с высокой точностью регулировать тепловой режим и использовать флюсы и шлаки. В результате получают сплав с минимальным содержанием вредных примесей: фосфора в нем не более 0,035%, серы — не более 0,04%.

Именно такие стали используются в ответственных узлах оборудования, включая прокладки, змеевики и втулки. В маркировке металла цифрами — от 08 до 25 указывается массовая доля карбидов — соединений металлов или неметаллов с углеродом.

Массовая доля элементов в химическом составе качественных низкоуглеродистых сталей:

• Кремний — 0,17-0,37%
• Марганец — 0,35-0,65% (Ст 08-20)
• Хром — >0,1% (Ст 08), 0,15% (Ст 10), 0,25% (Ст 15, 20, 25), 0,50-0,80% (Ст 25).

Массовая доля углерода варьируется в диапазоне от 0,05-0,12% (Ст 08) до 0,22%-0,30% (Ст 25).

Особенности маркировки

Обычная низкоуглеродистая сталь имеет буквенное обозначение СТ и цифровое. Число следует делить на 100, тогда будет понятно процентное содержание углерода. Например, СТ15 (углерод 0,15%).

Рассмотрим маркировку и расшифруем обозначения:

• Первые буквы или их отсутствие говорит о принадлежности к той или иной группе качества. Это могут быть Б или В. Если нет буквы, значит сплав принадлежит к категории А.
• Ст обозначает слово «сталь».
• Цифровое обозначение – зашифрованное процентное содержание углерода.
• кп, пс – обозначает кипящий или полуспокойный сплав. Отсутствие обозначения говорит о том, что сталь спокойная (сп).
• Буквенное обозначение и цифровое после него раскрывают, какие примеси входят в состав, и их процентное содержание. Например, Г – марганец, Ю – алюминий, Ф – ванадий.

Для качественных низкоуглеродистых сталей в маркировке не ставится буквенное обозначение «Ст».

Также применяется цветовое обозначение. Например, низкоуглеродистая сталь марки 10 имеет белый цвет. Стали специального назначения могут обозначаться дополнительными буквами. Например, «К» — применяется в котлостроении; ОсВ – используется для изготовления вагонных осей и т. д.

Сущность процесса улучшения стали

После закалки стали в ней преобладают структуры мартенсита. Высокий отпуск стали заключается в нагреве, как минимум, на 20-40°C ниже точки Ac1 (см. Диаграмму железо-углерод), но не ниже 500°C, выдержке и контролируемом охлаждении детали.

Улучшение сталей на диаграмме железо-углерод

На втором этапе улучшения сталей – процессе высокого отпуска стали – происходит диффузионный распад мартенсита до образования сорбита отпуска (см. Элементы теории термической обработки). Сорбит отпуска имеет однородную и дисперсную структуру.

Низколегированная и низкоуглеродистая сталь: отличия

Для улучшения каких-либо характеристик сплава добавляются легирующие элементы.

Стали, которые содержат в чебе низкое количество углерода (до четверти процента) и легирующих добавок (общий процент — до 4 %) называются низколегированными. Такой прокат сохраняет высокие сварные качества, но при этом усиливаются разные свойства. Например, прочность, антикоррозийные характеристики и так далее. Как правило, оба вида применяются в сварных конструкциях, которые должны выдерживать температурный диапазон от минус 40 до плюс 450 градусов Цельсия.

Выпускаемые изделия

Можно выделить несколько групп стальной продукции:

• Листовая сталь. Подвиды: толстолистовая (ГОСТ 19903-74), тонколистовая (ГОСТ 19904-74), широкополостная (ГОСТ 8200-70), полосовая (ГОСТ 103-76), рифленая (ГОСТ 8568-78)
• Уголковые профили. Равнополочные (ГОСТ 8509-93), неравнополочные (ГОСТ 8510-86).
• Швеллеры (ГОСТ 8240-93).
• Двутавры. Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239-89), Балки двутавровые широкополочные (ГОСТ 26020—83, СТО АСЧМ 20—93).
• Трубы.
• Профилированный настил.

К этому перечню добавляют вторичные профили, которые образуются за счет сварных работ и механической обработки.

Хромомарганцевые стали

Совместное легирование сталей хромом (0,9…1,2 %) и марганцем (0,9…1,2 %) позволяет получить достаточно высокую прочность и прокаливаемость (например, 40ХГ), однако они имеют пониженную вязкость, пониженный порог хладноломкости (от 20 0С до минус 60 0С). Введение титана снижает склонность к перегреву, а добавление бора увеличивает прокаливаемость.

Таблица 10 — Механические свойства некоторых легированных улучшаемых сталей

Улучшаемая сталь

Примеры улучшаемых сталей:

Углеродистые улучшаемые стали: сталь 30, сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 50.

Легированные улучшаемые стали: 40Х, 45Х, 40ХР, 40ХН, 40ХНА, 40ХНМА, 30Х2Н4МА, 38ХН3МА, 38Х2НМА, 30ХГСА, 30ХГС-Ш.

Некоторые улучшаемые стали пригодны для поверхностной закалки (плазменной и индукционной), в частности — сталь 45.

Основным свойством улучшаемых сталей

является
прокаливаемость
, которая зависит от химического состава стали. Изделие должно полностью прокаливаться насквозь (
сквозное улучшение
). Стали с малой способностью к сквозному улучшению пригодны для изделий с небольшим поперечным сечением. Другое важное свойство улучшаемых сталей — предел текучести (после улучшения стали), требования к которому предъявляются в зависимости от марки стали и диаметра изделия.

После улучшения гарантируются следующие свойства сталей: временное сопротивление σВ от 55 до 150 кгс*мм-2, удлинение δ5 от 6 до 50%, поперечное сужение ψ=30-60% (по данным ). Изменение значений этих свойств в зависимости от температуры отпуска иллюстрируется «диаграммами улучшения» (пример на рисунке).

Термическая обработка

. Улучшаемые стали поставляются потребителю в горячекатанном или нормализованном состоянии. После механической обработки до окончательных размеров и получения деталей проводятся улучшение сталей или поверхностная закалка.

Способы получения

Производство низкоуглеродистого сплава можно разложить на несколько этапов: загрузку в печь чугуна и лома (шихты), термическое воздействие до состояния плавления, удаление из массы примесей.

Далее может происходить разливка стали или дополнительная обработка: шлаком или вакуумом и инертными газами.

Для исполнения таких процессов пользуются тремя способами:

• Мартеновские печи. Самое распространенное оборудование. Процесс плавки происходит в течение нескольких часов, что позволяет отслеживать лабораториям качество получаемого состава.
• Конвекторные печи. Производится за счет продувки кислородом. Следует отметить, что сплавы, полученные таким способом, не отличаются высоким качеством, так как содержат большее количество примесей.
• Индукционные и электропечи. Процесс производства идет с применением шлака. Таким способом получаются высококачественные и специализированные сплавы.

Рассмотрим особенности классификации сплавов.

Особенности сварки

Сварка низкоуглеродистых сталей имеет высокие показатели. Тип сварки, электроды и их толщину подбирают на основе следующих технических данных:

• Соединение непременно должно быть прочно скреплено.
• Не должно быть дефектов швов.
• Химический состав шва должен выполняться в соответствии нормативам, указанных в ГОСТе.
• Сварные соединения должны соответствовать условиям эксплуатации (устойчивость к вибрациям, механическому воздействию, температурному режиму).

Могут использоваться различные виды сварки от газовой до сварки в среде углекислого газа плавящимся электродом. При подборе учитывают высокую плавкость низкоуглеродистых и низколегированных сплавов.

Что касается конкретно сферы применения, то низкоуглеродистый прокат используется в строительстве и машиностроении.

Марка стали подбирается на основе требуемых на выходе физических и химических свойств. Наличие легирующих элементов может улучшить одни свойства (стойкость к коррозии, температурным перепадам), но и ухудшить другие. Хорошая свариваемость — еще одно достоинство таких сплавов.

Итак, мы выяснили, что собой представляют изделия из низкоуглеродистой и низколегированной стали.

Основные способы получения низкоуглеродистых сплавов

Все сплавы при получении проходят одинаковые технологические стадии, дополнительную обработку. Плавильная печь загружается сырьём, шихтой, нагревается до расплавления, удаляются лишние примеси. Дополнительная обработка зависит от конкретного заданного состава продукта, нужных химических, физических свойств.

По технологии производства, оборудованию сплавы получают:

• кислородно-конверторным способом выплавки;
• мартеновским способом получения;
• электротермическим способом производства.

Кислородно-конверторный метод

Этот способ производства низкоуглеродистого сплава назван по двум составляющим технологии. Кислород, содержащийся в воздухе, окисляет избыток углерода и примесей в конверторной печи. Конверторная печь имеет объём 50–60 т. Расплавленное сырьё, шихта, продувается нагретым кислородом под давлением. Стены конвектора имеют грушевидную форму, выполнены из металла с дополнительной футеровкой. Материал футеровки химически участвует в процессе выплавки, вступая в реакцию с расплавленным сырьём.

Мартеновский метод

Мартеновские печи отличаются большим размером плавильных ванн, производительностью до 500 тонн продукции. Выжигание углерода, примесей также идёт кислородом, но кислород получают не только из воздуха. Дополнительно шихту обогащают железной рудой, ломом, покрытым ржавчиной. Оксиды железа, участвуя в процессе, выделяют кислород. Камеры-регенераторы осуществляют предварительный нагрев горючего газа и воздуха, попеременно выпускают содержимое через плавильную ванну. Процесс происходит в течение 6–7 часов, по завершении нагрев прекращается, добавляются раскислители.

Электротермический метод

Этот способ позволяет получить точно заданные физические и химические свойства, применяется только для получения высококачественных сплавов. Большой расход энергии при термической обработке, до 800 кВт на 1 тонну стали, должен быть экономически оправдан. Температура печи доходит до 1650 градусов, ёмкость ванн 0,5–180 тонн.

При высокой температуре сера и фосфор удаляются практически без остатка, переплавляется тугоплавкое сырьё. Химические реакции при производстве аналогичны мартеновскому способу.

Низкоуглеродистая сталь может быть трех видов:

• Обычного качества. В таких сплавах содержание серы не превышает 0,06%, фосфора 0,07%.
• Качественная. В составе наличие: серы до 0,04%, фосфора до 0,035%.
• Высококачественная. Содержание серы до 0,025%, фосфора до 0,025%
• Особого качества. Низкое содержание примесей: серы до 0,015%, фосфора — до 0,025%.

Как уже говорилось ранее, чем меньше примесей, тем лучше качество сплава.

Сталь низкоуглеродистая ГОСТ 380-94 обыкновенного качества делится еще на три группы:

• А. Определяется своими механическими свойствами. Форма поставки потребителю чаще всего встречается в виде многопрофильного и листового проката.
• Б. Основные показатели — химический состав и свойства. Оптимальные для механического воздействия давлением под термическим фактором (ковка, штамповка).
• В. Для таких видов сплавов важны такие свойства: технические, технологические, физические, химические и, соответственно, состав.

По процессу раскисления стали делят на:

• Спокойные. Процесс затвердевания происходит спокойно. Газы при таком процессе не выделяются. Усадка происходит в середине слитка.
• Полуспокойные. Промежуточный вид стали между спокойными и кипящими составами.
• Кипящие. Затвердевание происходит с выделением газа. Усадочная раковина скрытого типа.