Классификация и маркировка углеродистых сталей

Общая характеристика и способы получения сталей и чугунов

Стали и чугуны являются железоуглеродистыми сплавами сложного состава. Помимо железа и углерода в них всегда присутствуют такие примеси, как Mn, Si, S, P и газы (O, N, H). Эти примеси называют постоянными. Кроме постоянных примесей в сталях и чугунах могут также в небольшом количестве содержаться и любые другие – случайные примеси.

Стали отличаются от чугунов более низким содержанием углерода и всех постоянных примесей. В сталях углерода содержится менее 2,14% по массе, а в чугунах – больше 2,14%. Примерный химический состав низкоуглеродистых сталей и передельных чугунов приведён в следующей таблице:

Таблица 1

	С, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %
Сталь	0,14 – 0,22	0,2 - 0,3	0,4 – 0,65	0,05	0,055
Чугун	4 – 4,4	0,76 – 1,26	до 1,75	0,15 – 0,3	0,03 – 0,07

 

Кристаллизация сталей, согласно диаграмме «железо-цементит», завершается образованием аустенита, а чугунов – механической смеси аустенита и цементита, т.е. ледебурита. По этой причине стали, в отличие от чугунов, являются более пластичными материалами и лучше обрабатываются давлением при нагреве. Однако чугуны имеют более высокие литейные характеристики.

Чугуны получают в доменных печах из железных руд, содержащих железо в виде некоторых химических соединений, обычно в виде окислов. Доменный процесс состоит в восстановлении этих окислов твёрдым углеродом топлива (кокса) и печными газами (в основном СО). Продуктом доменного производства является восстановленное из окислов железо, обогащённое углеродом и постоянными примесями, то есть чугун.

Стали получают в сталеплавильных печах из чугунов. Сущностью процесса передела чугуна в сталь является снижение содержания в сплаве углерода и всех постоянных примесей путём их избирательного окисления и перевода в шлак или газы. В процессе выплавки стали окисляются не только примеси, но и основной компонент сплава – железо. При этом расплав оказывается насыщенным окислами железа FeO, которые могут существенно ухудшить свойства готовой стали. Для уменьшения содержания кислорода в сталях на заключительном этапе их выплавки проводят операцию раскисления. В жидкий расплав вводят Mn, Si и Al, которые более активны к кислороду, чем Fe. В результате окислы железа восстанавливаются, а кислород поступает в шлак. Схема реакций раскисления следующая:

Mn ® MnO шлак

FeO + Si ® Fe + SiO₂

Al ® Al₂O₃

По степени раскисления стали подразделяются на кипящие, спокойные и полуспокойные. Спокойные стали полностью раскислены Mn, Si и Al. Кипящие стали раскислены не полностью (только Mn), и процесс их раскисления продолжается в ковше. При этом кислород, содержащийся в сталях, взаимодействует с углеродом и образуются пузырьки газа СО, которые при бурном выделении создают эффект кипения. Схема этой реакции следующая:

FeO + С ® Fe + СО

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение.

 

Влияние углерода и постоянных примесей на структуру

И свойства сталей

Наиболее сильное влияние на структуру и свойства сталей оказывает углерод. Чем больше в сталях углерода, тем больше в их структуре твёрдого и хрупкого цементита и меньше мягкого и пластичного феррита. По этой причине с увеличением содержания углерода возрастает твёрдость сталей, но снижается их пластичность и вязкость. Прочность сталей при повышении содержания углерода до 0,8 – 1 % возрастает, а затем начинает снижаться. Таким образом, наилучшими прочностными характеристиками обладает сталь по составу близкая к эвтектоидной, в структуре которой преобладает перлит. С повышением содержания углерода повышается порог хладноломкости сталей, то есть та температура, при охлаждении до которой, вязкое разрушение сменяется хрупким. (Для ориентира, у стали, содержащей 0,4 % углерода, порог хладноломкости составляет 0° С). С повышением содержания углерода снижается способность сталей к свариванию и к пластичной деформации, особенно при нагреве. Склонность к обработке резанием оптимальная у среднеуглеродистых сталей. При повышенном содержании углерода сталь является слишком твердой и хрупкой, что ведёт к быстрому износу режущего инструмента. При низком содержании углерода сталь, напротив, является слишком мягкой, вязкой и липнет к резцу. Это приводит к шероховатой поверхности резания.

Кремний специально вводят в сталь на заключительном этапе её выплавки с целью раскисления. Si препятствует растворению в стали кислорода в виде соединения FeO, ухудшающего свойства сплава. Обычно Si растворяется в феррите и повышает его прочность. Таким образом, Si в сталях является полезной примесью.

Фосфор попадает в сталь в основном из руды. Он, как и Si, растворяется в феррите, но приводит к снижению его пластических свойств и увеличению хрупкости. Р может скапливаться в сталях и в чистом виде, в виде так называемых сегрегаций, что также способствует увеличению хрупкости стали, особенно при низких температурах. С увеличением содержания Р повышается порог хладноломкости стали. Таким образом Р в сталях является вредной примесью, полностью избавиться от которой не просто.

Сера также является вредной примесью. Она попадает в сталь из руды и золы топлива. В сталях S не растворяется, а образует соединение FeS, которое совместно с железом формирует легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988° С, располагающуюся по границам зерен. При повышении температуры сталей до температуры горячего деформирования эта эвтектика размягчается (или проплавляется), что приводит к ломкости сталей. Такое явление называют красноломкостью. Таким образом, S ведёт к красноломкости сталей.

Марганец, как и Si, специально вводят в сталь на этапе раскисления. Он не только оказывает полезное раскисляющее действие, но и препятствует вредному влиянию на сталь серы. Mn более активно взаимодействуя с серой образует соединение MnS, которое совместно с железом формирует эвтектику с температурой плавления 1600°С, которая уже не проплавляется при температурах горячего деформирования. Это и препятствует красноломкости стали. Таким образом, Mn является полезной примесью.

Газы: O, N, H попадают в сталь из атмосферы на этапе её выплавки. Эти газы либо растворяются в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды и т.п.), либо скапливаются в порах в чистом виде. Растворяясь в феррите, они повышают его хрупкость, снижают вязкость. Нитриды, оксиды и тому подобные соединения загрязняют сталь и снижают её прочностные характеристики. Также вредное влияние на сталь оказывают газы, скопившиеся в чистом виде, особенно водород. Водород, скапливаясь в порах под большим давлением, может приводить к внутренним надрывам стали.

 

Классификация и маркировка углеродистых сталей

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

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтектоидные стали содержат менее 0,8 % углерода и имеют структуру, состоящую из зёрен феррита и перлита. Эвтектоидные стали содержат 0,8 % углерода. Их структурой является перлит, т.е. механическая смесь феррита с цементитом. У заэвтектоидных сталей, содержащих более 0,8 % углерода, в структуре кроме перлита присутствует вторичный цементит, который располагается в виде сетки по границам зёрен перлита.

По качеству стали подразделяют на стали обычного качества и качественные. Качество стали определяется содержанием вредных примесей. Чем меньше в стали вредных примесей, тем выше её качество.

По способу производства стали подразделяют на мартеновские, кислородно-конверторные и электростали. Всё зависит от того агрегата, в котором выплавлялась сталь. По степени раскисления стали делят на кипящие, спокойные и полуспокойные.

По назначению стали подразделяют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали - это обрабатываемые стали, используемые для изготовления деталей машин или конструкций. Обычно в качестве конструкционных сталей используют доэвтектоидные и эвтектоидные стали. Инструментальные углеродистые стали используют для изготовления ударного, измерительного или режущего инструмента. Обычно в качестве инструментальных сталей используют стали с содержанием углерода от 0,7 до 1,3 %, структура которых улучшена специальной термической обработкой.

Углеродистые стали обычного качества имеют 3 группы поставки: А, Б и В. Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Эти стали используют в состоянии поставки без дополнительной обработки давлением или сварки. Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом, свойства при этом не гарантируются. Такие стали подвергают термообработке или обработке давлением, в результате которых структура и свойства сталей изменяются. Гарантированный химический состав необходим этим сталям для выбора оптимального режима термообработки. Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали используют, главным образом, для изготовления сварных конструкций, в которых часть материала подвергается термообработке, а часть - нет. По этой причине и требуются гарантии на механические свойства и химический состав данных сталей.

Все стали обычного качества маркируют буквами Ст, после которых стоит цифра от 0 до 6. Для сталей группы Б и В вначале марки ставят соответствующую букву. У сталей группы А букву не ставят. В конце марки указывают степень раскисления стали: «кп» – кипящая, «пс» - полуспокойная, «сп» - спокойная.

Например: Ст3кп - сталь группы А, с номером 3, кипящая.

БСт4пс - сталь группы Б, с номером 4, полуспокойная

Чем выше номер стали группы А, тем лучше её прочностные характеристики. У сталей группы Б с возрастанием номера повышается содержание углерода. У сталей группы В свойства такие же как у сталей группы А, а химический состав такой же как у сталей группы Б соответствующего номера. (Информацию о химическом составе сталей обычного качества и их свойствах можно получить в справочнике).

Маркировка качественных углеродистых сталей зависит от их назначения.

Конструкционные углеродистые стали маркируют цифрами: 0,8; 10; 15; 20 и т.д. до 85. Цифра означает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если сталь содержит повышенное количество Mn (0,8 £ Mn £ 1,2 %), то в конце марки стали ставится буква Г. Степень раскисления стали обозначают буквами «кп» и «пс» в конце марки. Для спокойных сталей степень раскисления не указывают.

Например:

Сталь 40 - качественная углеродистая конструкционная сталь, содержащая 0,4 % углерода, спокойная.

Сталь 60Гпс - качественная углеродистая конструкционная сталь, содержащая 0,6% углерода, с повышенным содержанием Mn, полуспокойная

Инструментальные углеродистые стали маркируют буквой У, после которой ставится цифра, означающая среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Например:

У7 - инструментальная углеродистая сталь, содержащая 0,7 % углерода.

У13 - инструментальная углеродистая сталь, содержащая 1,3 % углерода.