Материаловедение 5 (стр. 3 из 16)
Тема 1.2. Производство стали.
Виды сталей
Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов.
Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.
По способу производства различают мартеновскую, бессемеровскую, томасовскую, кислородно-конвертерную, тигельную и электросталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различают сталь основную и кислую.
По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода дополнительно вводят элементы для придания стали тех или иных свойств.
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами — спе- циальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.
Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% С; машиностроительные цементируемые — от0,025 до 0,3% С, улучшаемые термообработкой—отО,ЗдоО,5% С, пружинные —от 0,5 до 0,8% С, инструментальные — от 0,7 до 1,3% С.
Основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении избытка углерода и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавительных агрегатов.
Классификация углеродистых сталей
Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.
- Углеродистые стали обыкновенного качества
В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается изношенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их наплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преимущественно используются в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения.
Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), потопывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добав- лением в спокойных сталях букв сп, в полуспокойных — пс, в кипящих — кп. Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и по- пуспокойными производят стали СТ1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4. ( таль СтО по степени раскисления не разделяют, в этой стали ука- и.мтюттолько содержание углерода (С < 0,23%), серы (S < 0,06%) и фосфора (Р<0,07%). В остальных марках регламентировано содер- жиние С, Mn, Si, S, Р, атакже As и Р (табл. 3.1).
Для всех сталей, кроме СтО, справедлива следующая форму- па: С(%) « 0,07 х номер марки. Так, в стали СтЗ содержание ( < 0,07 х 3 я 0,21 % (фактически 0,14-0,22%).
Концентрация марганца возрастает от 0,25—0,50% в стали Ст1 до (1,50—0,80% в стали Стб. Три марки стали производят с повышенным (0,80—1,1%) содержанием марганца, на что указывает буква Г и марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.
Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: v кипящих — не более 0,05%, у полуспокойных — не более 0,15%, у спокойных — не более 0,30%.
Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости t50. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпс и СтЗкп он составляет—10; —10 и 0 соответственно. Для этих сталей химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.
Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что прочность конструкции заведомо обеспечивается. На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеродистые стали, из которых изготовляют сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции.
Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно СтЗ широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.п.).
Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей подвергают термическому упрочнению.
3.2.2. Углеродистые качественные стали
Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 3.2). Маркируют их двухзначными числами: 08,10,15,20,...,60, обозначающими среднее содержание \ I порода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88).
Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и I мнящие — с индексами соответственно пс и кп. Кипящими производят стали 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными — 0,8 пс,10пс, 15пс, 20пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,03%); в полуспокойных его количество ограничено 0,05—0,17%.
Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 до 0,80%. Содержание азота для сталей, пе- рерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006%; для остальных сталей-0,008%.
ГОСТ 1050-88 гарантирует механические свойства углеродистых качественных сталей после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку, — отжига или высокого отпуска.
Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.
Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы:
• малопрочные и высокопластичные стали 08,10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготовляемых холодной деформацией и сваркой;
• цементуемые — стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо. Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от —40 до +425 °С.
Среднеуглеродистые стали 30,35,40,45,50,55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые (см. табл. 3.2).
Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40,45,50.
Наиболее перспективными являются кислородно-конвертерный и электросталеплавильный способы получения стали.
3.4.2. Производство стали в кислородных конвертерах
Основой конвертерного получения стали является обработка жидкого чугуна газообразными окислителями. Химическая теплота экзотермических реакций окисления примесей и физическая теплота жидкого чугуна полностью обеспечивают этот процесс.
 Рис. 3.1. Схема кислородного конвертера с рабочим объемом 270 м3 |
Современные кислородные конвертеры (преобразователи) изготовляются из стального листа. В зависимости от вида футеровки конвертеров различают два процесса: бессемеровский и томасовский. При бессемеровском процессе (кислом) футеровку в конвертерах выполняют из кислых материалов (динасовый кирпич или кварцит), при томасовском процессе (основном) — из основных материалов (обожженный доломит). Кислая футеровка выдерживает 1000— 2000 плавок, а основная 300—400. Днища конвертера меняют чаще, так как они разрушаются быстрее (рис.3.1). Конвертеры имеют горловину J в виде усеченного конуса с леткой 7; цилиндрическую часть 4 и сферическое днище 6. Нижний усеченный конус конвертера служит ванной для металла. Цилиндрическая часть является рабочим пространством, заполняемым металлом, шлаком и газом при продувке. Оно в 7— 10 раз больше объема, занимаемого спокойным металлом. Верхний усеченный конус сокращает потери металла и теплоты. Через горловину загружают шихтовые материалы, отводят образующиеся газы, сливают шлак и ремонтируют футеровку. Слив стали проводят через отверстие для выпуска сташ. Раздельный слив металла и шлака необходим, так как при этом исключается переход из шлака в металл серы и фосфора. Конвертер поворачивается вокруг своей горизонтальной оси на цапфах 5при помощи приводных механизмов. Рабочее положение конвертера вертикальное. По вертикальной оси конвертера сверху опускается охлаждаемая водой фурма 2, по которой под давлением 1,6—1,8 МПа подается технически чистый кислород. Вместимость кислородных конвертеров 50—500 т.