КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ

Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производст­во чугуна и стали состоит изсложного комплекса различных производств (рис. 17).

1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огне­упорных материалов.

2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают кон­центрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.

3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют под­готовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при тем­пературе ~ 1000" С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное из­влечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, камен­ноугольной смолы и др.

4 . Энергетических цехов для получения и трансформации электро­энергии сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных про­цессах кислорода для выплавки чугуна и стали, атакже очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.

5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.

6 Заводов для производства различных ферросплавов.

7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электро­сталеплавильных для производства стал и.

8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабаты­ваются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т.п.

Современное производство стали основано на двухступенчатой схе­ме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных спосо­бов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восста­новление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших коли­чествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун—сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, мар­ганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда про­исходящих химических реакций осуществляется избирательное окисле­ние примесей чугуна и перевод их в процессе плаг-ки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной метал­лургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные фер­росплавы, стальные слитки и прокат.

Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содер­жит 4,0-4.4 % С; до 0,6-0,8% Si; до 0,25-1,0% Mn; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.

Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отли­вок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышен­ное содержание кремния (до 2,75-3,25%).

Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13% Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25%Мn и до2%Si.

Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных кон­струкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т.д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последую­щей ковки и штамповки.

Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профи­лем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сор­таментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют наследую­щие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и спе­циальные виды проката.

Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слит­ков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150 х 150 до 450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ков­кой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65—300 мм и шири­ной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.

Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной — фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т.д.).

Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, аптолист и т.д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 - 160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм -тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).

Специальные виды проката — колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т.п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.

Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлаки колошниковый газ. Доменным шлаком назы­вают легкоплавкое соединение флюса (СаСО, — известняк) с пустой по­родой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для на­грева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлурги­ческих заводов.

Современное металлургическое производство все более развивается по пути внедрения малоотходных и безотходных технологических процес­сов.

Схема современного металлургического производства

ЧУГУНЫ

Влияние компонентов на свойства чугунов. Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойства­ми. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержатлегирующие эле­менты — никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита.

Механические свойства отливок из чугуна зависят от его структуры. Чугуны имеют следующие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидную эвтектику. По микроструктуре чугуны делят на белый чугун I (рис. 18), содержащий ледебуритный цементит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, содержащий перлит П и графитГ; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и графит Г.

Микроструктуры чугуна

В ферритном чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Существуют чугуны с промежуточными микроструктурами: половинчатый IIа, в котором имеются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный II6, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV- перлит и шаровидный графит.

На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влия­ние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.

Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от2,7до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают: ниж­ние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.

Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем боль­ше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения от­ливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьше­нием ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства.

Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферри­том и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5-0,8%. Уве­личение содержания марганца до 0,8-1,0% приводит к повышению ме­ханических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками.

Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1 -0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5-0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатыва­емость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допус­кается 0,2-0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отлив­ки художественного литья - около 1% фосфора.

Сера является вредной примесью, образует при затвердевании серни­стое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe + FeS), которая плавится при температуре 988°С. Эвтектика затвер­девает в последнюю очередь и располагается между зернами, приводя к хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных темпера­турах, т. е. к красноломкости. Добавкой марганца в количестве, в 5-7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, поскольку плавится при 1620"С. Большая часть образующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чугуне ограничивается до 0,12%, а в высокопрочных должно быть не более 0,03%.

Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Ti, Mn, Си и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют сов­местно. В результате легирования чугуна перлит размельчается или об­разуются другие, еще более тонкие структуры.

Белый и серый чугун. Серый и белый чугун ы резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатыва­ются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ков­кого чугуна.

Серые чугуны — это литейный чугун. Серый чугун поступает в произ­водство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкцион­ным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хоро­шо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способ­ностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных на­грузках. Свойство гасить вибрации называется демпфирующей способ­ностью. Демпфирующая способность чугуна в 2—4 раза выше, чем ста­ли. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обуслови­ли применение чугуна для изготовления станин различного оборудова­ния, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомо­бильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ) :СЧ 10(143—229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180-250), СЧ 30(181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).

Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введе­нии в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически пол­ностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная струк­тура с включениями графита. При дальнейшем уменьше­нии содержания кремния формируется структура серо­го чугуна на перлитной осно­ве с включениями графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от метал­лической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на пер­литной основе, а наиболее плас­тичными —серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую проч­ность и не имеет связи с метал­лической основой чугуна, поло­сти, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, над­резы или трещины в металличе­ской основе чугуна, которые значительно снижают его проч­ность и пластичность. Наиболь­шее снижение прочностных свойств вызывают включения графитав виде плас­тинок, наименьшее — включения точечной или шарообразной формы.

По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной проч­ности, высокой прочности и со специальными свойствами.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена и иногда титана или меди.

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный модифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т.е. белым или половинчатым). Модификаторы — ферросили­ций, силикоалюминий, силикокальций и др. — добавляют в количестве 0,1 —0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполне­ния. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не со­держится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводи­мого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедлен­но разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования ис­чезает через 10—15 мин.

Высокопрочный чугун. Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют приме­нять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых ус­ловиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнеч но-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др. Так, напри­мер, коленчатый вал легковой автомашины "Волга" изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Mn; 0,16-0,30% Cr; <0,01 % S; <0,06% P и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высоки­ми: Ов= 620-650 МПа; §= 8-12 % и твердость НВ = 192-240.

Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитнс-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распа­дается с образованием графита хлопьевидной формы. У отливокс толщиной стенокболее 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.

Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйст­венном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высо­кой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и удар­ные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппа­ратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механичес­ким свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свой­ствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.

Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка, кроме проч­ности, должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приве­дем в качестве примеров следующие.

Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электричес­ких машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.

Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никеле-марган-цовистый чугун, содержащий 7-10% Мп и 7-9% Ni, а также марганцево-меднистый чугун, в котором содержится 9,8% Мn и 1,2-2,0% Си.

Жаростойкий чугун - чугаль содержит 20-25% А1.

К чугунам со специальными свойствами относят также упомянутые ранее ферросплавы - ферромарганец, ферросилиций и т.д., предназна­ченные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.

СТАЛИ

Сталь - основной материал, широко применяемый в машино- и прибо­ростроении, строительстве, атакже для изготовления различных инструмен­тов. Она сравнительно недорога и производится в больших количествах. Сталь обладает ценным комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Стали классифицируют по химическому соста­ву, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.

Классификация по химическому составу. По химическому составу ста­ли подразделяют на углеродистые и легированные. Сталь, свойства ко­торой в основном зависят от содержания углерода, называют углеродистой. 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 входят специально введенные элементы для придания ей требуемых свойств.По количеству введенных легирующих элементов легированную сталь делят на три группы: низколегированную (с суммарным содержанием легирующих эле­ментов до 2,5%), среднелегированную (от 2,5до 10%) и высоколегирован­ную (свыше 10%). В зависимости от введенных элементов различают ста­ли, например, хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т. п.

Классификация по назначению. Стали по назначению делят на конст­рукционные, инструментальные и стали специального назначения с осо­быми свойствами.

Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления деталей машин, приборов и элемен­тов строительных конструкций. Из конструкционных сталей можно выделить цементуемые, улучшаемые, автоматные, высокопрочные и рессорно-пружинные стали.

Инструментальные стали подразделяют на стали для изготовления режущего, измерительного инсгрумента и штампов холодного и горяче­го деформирования.

Стали специального назначения—это нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по качеству. Стали по качеству классифицируют на ста­ли обыкновенного качества, качественные, высококачественные и осо­бо высококачественные. Под качеством понимается совокупность

свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее произ­водства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов (кислорода, водорода, азота). Основными показателями для разделения сталей по качеству явля­ются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора).

Стали обык­новенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — до 0,035% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, а особо высококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.

Классификация по степени раскисления. Стали по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Не раскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена хрупкому разрушению при горячей обработке давлением.

Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделе­ния, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Ден­дритная ликвация в крупных слитках такой стали при их прокатке или ковке приводит к появлению полосчатой структуры. Это вызывает ани­зотропию механических свойств. Пластические свойства стали в попе­речном (по отношению к направлению прокатки или ковки) значитель­но ниже, чем в продольном.

Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка со­держание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней — умень­шается. Это приводит к ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.

Кипящие стали раскисляют только марганцем. Они раскислены недо­статочно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кис­лорода, который при затвердевании слитка частично реагируете углеро­дом и выделяется в виде пузырей окиси углерода, создавая впечатление "кипения" стали. Движение металла при кипении способствует развитию в слитках такой стали зональной ликвации. По сравнению со спокойной сталью такие слитки не имеют усадочной раковины. Кипящая сталь прак­тически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Кипящие стали относительно дешевы. Их выплавляют низкоуглеродис­тыми и с очень малым содержанием кремния (Si<0,07%), но с повышен­ным количеством газообразных примесей. При прокатке слитков такой стали газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листы из такой стали, предназначенные для изготовления деталей кузовов авто­машин вытяжкой, имеют хорошую штампуемость при выполнении формоизменяющих операций холодной листовой штамповки.

Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежу­точное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в печи и ковше, а частично — в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближа­ется к ликвации в слитках спокойной стали.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых ста­лей. В составе углеродистой стали кроме железа и углерода содержится ряд постоянных примесей: кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, азот, водород и другие элементы, которые оказывают большое влияние на свойства стали. Присутствие примесей объясняется трудностью их удаления при выплавке (сера, фосфор) или переходом их в сталь при ее раскислении (кремний, марганец) или из шихты (хром, никель).

Структура стали без термической обработки после медленного охлаж­дения состоит из смеси феррита и цементита, т.е. структура такой стали либо перлит + феррит, либо перлит + цементит. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита (HV 800) на порядок больше твердости фер­рита (HV 80). Твердые частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом, с уве­личением в стали содержания углерода возрастают твердость, предел прочности и уменьшаются ударная вязкость, относительное удлинение и сужение.

Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содер­жания углерода снижает технологическую пластичность стали при горя­чей и в особенности при холодной обработке давлением и ухудшает ее свариваемость — способность материалов образовывать неразъемные со­единения с заданными свойствами.

Увеличение содержания углерода повышает температуру порога хлад­ноломкости (температурный интервал перехода стали в хрупкое состоя­ние) в среднем на 20°С на каждые 0,1 % углерода.

Содержание кремния в углеродистой стали в виде примеси составляет обычно до 0,4%,а марганца 0,5— 0,8%. Кремний и марганец являются по­лезными примесями. Они переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Раскисление улучшает свойства стали. Кремний сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к вытяжке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть наименьшим.

Марганец повышает прочность стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Мар­ганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Сера является вредной примесью в стали, содержание ее в зависимос­ти от качества стали не должно превышать 0,06%.

Сера нерастворима в железе. С железом она образует химическое со­единение — сульфид железа (FeS). Соединение FeS образует с железом эвтектический сплав (эвтектику) с температурой плавления 988°С. При кристаллизации железоуглеродистых сплавов эвтектика располагается обычно по границам зерен. При нагревании стали до 1000—1300°С эвтек­тика расплавляется и нарушается связь между зернами металла, т.е. про­исходит охрупчивание, вызываемое оплавлением примесей по грани­цам кристаллов. Явление красноломкости может проявляться при ков­ке или прокатке стали, когда вследствие красноломкости на деформи­руемом металле в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины.

При наличии в стали марганца образуется тугоплавкое соединение — сульфид MnS. В затвердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений, что исключает образование легкоплавкой эвтек­тики и явление красноломкости.

Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижа­ют однородность строения и механические свойства стали, в особенное-. ти пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухуд­шают свариваемость и коррозионную стой кость.

Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его в зави­симости от качества стали не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно по­вышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонность сплава к ликвации

Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присут­ствуют в виде хрупких неметаллических включений — оксидов и нитри­дов. Примеси, концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и ок­сидов, повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливо­сти и сопротивление хрупкому разрушению. Так, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.

Влияние растворенного в стали водорода проявляется в охрупчивании стали. Поглощенный при выплавке стали водород, кроме того, приводит к образованию в крупных поковках флокенов — очень тонких трещин овальной или окружной формы. Флокены резко ухудшают свойства и недопустимы в стали, предназначенной для изготовления ответственных деталей.

Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водо­род— постоянные примеси встали. Кроме них, в стали могут находиться случайные примеси, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа (стального лома) в сталь могут по­пасть хром, никель, олово и ряд других элементов. Отдельные примеси находятся в стали в небольших количествах, и они оказывают незначи­тельное влияние.

ГЛАВА IV.

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

11. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали угле­родистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и уг­леродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.).

Стали углеродистые обыкновенного качества. Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры—это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А,Б, В. Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп—кипящая, пс— полуспокойная, сп — спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять букваГ, что означает повышенное содержание марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали.

По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой пра­вее индекса степени раскисления, например Ст5ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспо­койная, третьей категории. В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории последняя пишется за номе­ром марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс.

Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантиру­ют их механические свойства. Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.).

Cmаль группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют.

Сталь группы В поставляют по механическим свойствам, соответству­ющим нормам Для стали группы А, и по химическому составу, соответ­ствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы В используют в основном для сварных конструкций.

Стали углеродистые качественные конструкционные. От сталей обык­новенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фос­фора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и большинстве случаев более высоким содер­жанием кремния (Si) и марганца (Мn ).

Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содер­жание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантирован­ными показателями химического состава и механических свойств. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полу­спокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).

Табл. 3.

Механические свойства качественной конструкционной стали

Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, ка­либрованной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка).

Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят ста­ли с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены а основном для изготовления деталей массо­вого производства. При обработке таких сталей на станках-автоматах об­разуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инст­румента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.

Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают так­же введением в стали технологических добавок селена, свинца, теллура.

Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют сле­дующие марки автоматной стали: А12,А20, АЗО, А40Г.Из сталиА12 из-ГОТОВ1ЯЮТ неответственные детали, из стали других марок — более ответ­ственные детали, работающие при значительных напряжениях и повы­шенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изго­товление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шес­тигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.

Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горе­ния газовых турбин и других деталей. Они должны работать при пере­менных давлениях и температуре до 450"С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродис­тую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, 15К, 16К, 18K.20K.22Kc содержанием в них угле­рода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска (см. гл. V).