Современные способы производства стали: конверторный, мартеновский и электроплавильный.
При конверторном Бессемеровском способе жидкий чугун заливают в конвертор и продувают горячим воздухом, при этом выгорают и удаляются со шлаком С, Мn, Si, а S и Р остаются в стали. При Томасовском конверторном процессе перед заливкой чугуна в конвертор подают свежеобожженную известь. При этом образующиеся основные шлаки удерживают вредные примеси (S и Р).
Процесс конверторной варки стали очень экономичен, так как не требует дополнительного подвода тепла (необходимая для нагрева стали теплота выделяется в результате химических реакций окисления углерода и примесей чугуна),а время варки составляет 20...30 мин, однако невозможно получить сталь точного химического состава.
Кислородно-конверторный способ производства стали - наиболее перспективный. В нем дополнительно используется продувка кислородом, что позволяет довести качество конверторных сталей до уровня сталей, выплавляемых в мартенах и электропечах.
При мартеновском способе варки стали различают:
скрап-процесс, при котором сырьем служит смесь чушкового чугуна и скрапа (стального лома);
рудный процесс, при котором используют в качестве шихты смесь жидкого чугуна, железной руды и отходов металлургической промышленности;
скрапно-рудный процесс, при котором шихта состоит из руды, жидкого чугуна и скрапа в равных соотношениях.
Варка в мартеновских печах продолжается 4...8 часов при использовании топлива с систематическим отбором проб стали на химический анализ. Мартеновские стали получают точного химического состава, качество их выше конверторных.
Наиболее совершенным способом производства стали является электроплавильный способ. В электрических печах получают высококачественные и легированные стали. Однако производство это достаточно дорогое.
Влияние нормальных примесей на механические свойства стали
В состав сталей в силу условий их получения всегда входят так называемые нормальные примеси - Si, Mn, S, P, O2.
Содержание кремния до 0,35 % и марганца до 0,9 % на прочность стали не влияет.
Фосфор - вредная примесь, допустимое содержание его не более 0,055 %, так как он способствует росту зерен, что уменьшает пластичность и увеличивает хрупкость металла.
Сера - вредная примесь, допустимое содержание ее не более 0,055 %. В стали сера находится в виде сернистого железа FeS, которое образует на зернах металла хрупкие оболочки. При нагревании стали до красного каления оболочки частично расплавляются, вызывая красноломкость стали. Такая сталь непригодна для прокатки, ковки, сварки.
Кислород - вредная примесь, в металле находится в виде закиси железа FеО, которая образует легкоплавкие оболочки вокруг зерен стали. Кислород обуславливает красноломкость и хладноломкость (резкое повышение хрупкости стали при отрицательных температурах),понижение пластичности и ухудшение свариваемости стали. При содержании О2 > 0,03 % происходит хладноломкость стали, при содержании О2 > 0,1 % - красноломкость.
Классификация сталей
По химическому составу стали делятся на
углеродистые и
легированные.
Углеродистые стали классифицируют:
- по степени раскисления на кп, пс и сп ;
- по применению на
конструкционные, содержащие углерода С < 0,65%,
инструментальные, содержащие углерода С = 0,65...1,5%;
- по качеству на
обыкновенного качества,
качественные,
высококачественные;
- в зависимости от гарантируемых характеристик на
группу А, поставляемую по механическим свойствам,
группу Б, поставляемую по химическому составу,
подгруппу В, поставляемую по механическим свойствам и химическому составу.
Стали каждой группы делятся на марки.
Марка стали - это класс стали по прочности, устанавливаемый по пределу текучести, пределу прочности и величине относительной деформации.
Сталь группы А имеет марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7.
Сталь группы Б имеет те же марки, что и сталь группы А, но перед маркой ставится буква Б (БСт0, БСт1 и т.д.).
Сталь группы В имеет марки ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5.
По мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а также прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, ухудшается свариваемость.
Маркировка углеродистых сталей
Углеродистая сталь обыкновенного качества. В ее маркировке указаны способ выплавки, марка стали и степень раскисления.
Например: КСт3кп - конверторная сталь марки 3, кипящая,
МСт2пс - мартеновская сталь марки 2, спокойная.
2) Углеродистая конструкционная качественная сталь. В ее маркировке указано среднее содержание углерода в сотых долях процента от 08 до 80 и степень раскисления. Например:
08КП - кипящая сталь с содержанием углерода 0,08%,
10ПС - полуспокойная сталь с содержанием углерода 0,1%.
Поставляется она по химическому составу и механическим свойствам и выплавляется в кислородных конверторах и мартенах.
3) Углеродистая инструментальная качественная сталь. В ее маркировке цифры обозначают среднее содержание углерода в десятых долях процента от 7 до 13. Например У7 - инструментальная качественная сталь с содержанием углерода 0,7 %.
4) Углеродистая инструментальная высококачественная сталь маркируются так же, только добавляется буква А. Например: У7А, У8А и т.д.
В строительстве инструментальная сталь применяется с обязательной термической обработкой.
Состав и свойства железоуглеродистых сплавов
1) Аллотропные превращения чистого железа. Железо имеет четыре аллотропные формы: б -Fe, в -Fe, г -Fe и д -Fe. Практическое значение имеют только б -Fe и г -Fe, так как в -Fe и д -Fe отличаются от б -Fe только величиной межатомного расстояния в кристаллической решетке объемно-центрированного куба, а для в -Fe характерно еще отсутствие магнитных свойств.
Аллотропные превращения железа видны на его кривой охлаждения (рис. 3). Свойства г -Fe и б -Fe значительно отличаются. г -Fe не магнитно, хорошо растворяет углерод и образует с ним твердый раствор переменного состава - аустенит.
б -Fe обладает магнитными свойствами, в 100 раз хуже растворяет углерод, образуя с ним твердый раствор - феррит.
Рис. 9.3. Кривая охлаждения железа.
2) Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
АУСТЕНИТ - твердый раствор углерода в г -Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку г -Fe, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры, максимальное содержание углерода 2,14 %. Область сущесвования аустенита 1392...723 С, твердость его НВ = 170...200, магнитными свойствами не обладает.
ФЕРРИТ - твердый раствор углерода в б -Fe переменного состава, максимальное содержание углерода 0,02 %, область существования с 910?С. Феррит мягкий, пластичный, сильно магнитный, хорошо проводит тепло и электричество, при отсутствии примесей не корродирует. Твердость феррита НВ = 60...80.
ЦЕМЕНТИТ - карбид железа (Fe3C), химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Имеет металлический блеск, слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло, очень твердый (НВ = 800) и хрупкий, неустойчив, распадается при термической обработке.
ПЕРЛИТ - механическая смесь феррита и цементита, эвтектоид, образующаяся при 723?С и содержании углерода 0,83 % в результате распада аустенита. Твердость перлита НВ = 160...260.
Упрочение стали
Упрочение стали достигается термической обработкой, которая заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении по определенному режиму.
1) Структура стали в зависимости от режима охлаждения.
Сталь при разных режимах охлаждения может приобрести структуру мартенсита, троостита, сорбита или перлита.
МАРТЕНСИТ образуется при резком охлаждении стали и представляет собой пересыщенный раствор углерода в б - Fe с искаженной кристаллической решеткой. Это объясняется тем, что при резком охлаждении происходит только частичный распад аустенита, заключающийся в перестройке кристаллической решетки из гране-
центрированной в объемно- центрированную, однако углерод выделиться не успевает. Мартенсит наиболее неустойчивая и, в то же время, наиболее твердая и хрупкая структура стали
ТРООСТИТ образуется при менее быстром охлаждении стали, распад аустенита происходит полнее, и структура стали представляет собой высокодисперсную смесь феррита и цементита. Углерод, выделяющийся из решетки б -Fe, образует цементит Fe3C с величиной зерна 10-10 ...10-9 м.
СОРБИТ образуется при средних скоростях охлаждения. Структура стали представляет собой уже грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерен цементита 10-8 ..10-7 м).
ПЕРЛИТ образуется при очень медленном охлаждении в результате полного распада аустенита. Перлит - это равновесная структура стали, представляющая собой грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерна цементита 10-6м).
При переходе от мартенсита к перлиту происходит уменьшение твердости и хрупкости, повышение прочности и пластичности.
Виды термической обработки стали
ЗАКАЛКА - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и быстрое охлаждение. При охлаждении в холодной воде получается мартенсит, в горячей воде - троостит, в расплавленном свинце - сорбит. Цель - понижение хрупкости и повышение прочности стали.
ОТПУСК - нагрев стали до 600?С, выдержка и охлаждение. Цель - понижение внутренних напряжений закаленной на мартенсит стали, снижение ее твердости и хрупкости.
ОТЖИГ - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и охлаждение вместе с печью. Структура металла становится мелкокристаллическая, возрастает пластичность. Цель - понижение твердости стали для повышения обрабатываемости режущим инструментом.
НОРМАЛИЗАЦИЯ - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и охлаждение на воздухе. Цель - получение стали с высокой пластичностью и ударной вязкостью при повышенной прочности.
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА - горячая или теплая деформация изделия нагретого до состояния аустенита с последующим регламентированным охлаждением. Цель - получение закаленной на мартенсит стали с мелкодисперсной структурой повышенной плотности, которая обуславливает высокие механические свойства металла.
Степень достижения цели термической обработки определяется температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и режимом охлаждения.
Химико-термическая обработка стали.
Химико-термическая обработка стали проводится с целью упрочения ее поверхностных слоев (повышения твердости, износостойкости и т.п.). Она заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующей термообработке.
ЦЕМЕНТАЦИЯ - поверхностное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью получения твердой поверхности и вязкой сердцевины.
АЗОТИРОВАНИЕ - поверхностное насыщение стали азотом с целью получения очень высокой твердости, повышенной коррозионной стойкости.
ЦИАНИРОВАНИЕ - одновременное насыщение поверхности металла азотом и углеродом для повышения износоустойчивости и усталостной прочности.
ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ - процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и другими элементами. Цель - резкое повышение жаростойкости, износоустойчивости, коррозионной стойкости стали.
Применение углеродистых сталей
В строительстве сталь используют для изготовления несущих конструкций, армирования железобетона, устройства кровли, форм железобетонных изделий и т.д. Правильный выбор марки стали обеспечивает экономичный расход металла и успешную работу конструкции.
Для изготовления несущих сварных и клепаных конструкций рекомендуются стали обыкновенного качества группы В следующих марок: ВМСт3кп, ВМСт3пс, ВМСт3сп и ВКСт3кп, ВКСт3пс, ВКСт3сп.
Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки, рекомендуются стали следующих марок: ВМСт4кп, ВМСт4пс, ВМСт4сп и ВМСт5кп, ВМСт5сп, ВМСт5пс и кислородно-конверторные стали тех же марок.
Для изготовления арматуры используются углеродистые стали марок Ст3 и Ст5 мартеновские и конверторные.
Для изготовления болтов и шурупов применяется ст4 и ст5.
Для изготовления осей, валов и других деталей машин применяется ст6.
Легированные стали
Легированные стали - это стали, в состав которых специально вводят один или несколько легирующих элементов для улучшения их физико-механических свойств.
Легирующие элементы делятся на две группы: группу никеля, расширяющую область существования г -Fe - это Ni, Co, Mn, и группу хрома, сужающую область существования г -Fe - это Cr, Al, Zn, Si, W, Ti, Mo.