Надо Знать

добавить знаний



Сталь



План:


Введение

Страны-производители стали в 2007

Сталь или сталь ( рус. Сталь ; англ. Steel ; нем. Stahl ) - Сплав железа с углеродом, содержащий до 2,14% углерода и добавками ( кремний, марганец, сера, фосфор и газы).

По содержанию углерода стали делят на две группы:

  • мягкая сталь или техническое железо (содержит до 0,3% углерода)
  • твердая сталь (содержит от 0,3 до 2,14% углерода)

1. История

Сталь получено из чугуна во II в. до Р.Х. китайскими металлургами. Способ получил название "сто очищаемое" и состоял в многократном интенсивном обдуве воздухом расплавленного чугуна при его перемешивании. Это приводило к уменьшению доли углерода в металле и приближении его к свойствам стали. Изобретение стали упоминается в трактате "Хайнаньцзы" (122 г. до Р.Х.).

В Европе подобный способ пудлингование был освоен лишь во второй половине ХVIII ст. (Патенты братьев Томаса и Джорджа Кранеджи и Г. Корта).


2. Производство стали

Суть процесса переработки чугуна на сталь заключается в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей - фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой.

В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна в сталь: конверторный, мартеновский и электротермический. К финасовой кризиса в 2008 году Украина оставалась одной из немногих стран, где широко использовался мартеновский способ выплавки стали, что является довольно энергозатратным и экологически вредным. Сейчас большинство мартеновских печей в Украине выведено из эксплуатации, а те что остались, вскоре также будут закрыты. Мартеновский способ выплавки стали не выдерживает конкуренции, обострившейся на мировых рынках после 2008 г. Таким образом, сейчас в Украине, как и во всем мире, большинство стальной продукции производится конвертерным способом. Украина по состоянию на 2008 г. занимает пятое место в мире по объемам экспорта стали, 76,46% стали, производимой на мировом рынке, приходится на десять ведущих стран.


3. Конверторный способ

См.. также Кислородно-конвертерный способ получения стали

Кислородно-конвертерный способ получения стали

По этому способу окисления избытка углерода и других примесей чугуна проводят кислородом воздуха, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах - конверторах. Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованные внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Емкость конвертера 50-60 т стали. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO 2; имеющий кислотные свойства) или доломитную масса (смесь CaO и MgO, которые получают из доломита MgCO 3 CaCO 3. Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовского.


3.1. Бессемеровский способ

Схематическое изображение конвертора Бесемера

См.. также Бессемеровский процесс

Бессемеровский способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремний (не менее 2%). При продувке кислорода вначале окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300 C быстро поднимается до 1500-1600 С. Выгорание 1% Si обусловливает повышение температуры на 200 C.

Около 1500 C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно под конец выгорания кремния и углерода:

  • Si + O 2 = SiO 2
  • 2C + O 2 = 2CO ↑
  • 2Fe + O 2 = 2FeO

Монооксид железа FeO, образующегося хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO 2 и в виде силиката железа FeSiO 3 переходит в шлак:

  • FeO + SiO 2 = FeSiO 3

Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь, так P 2 O 5 при избытке SiO 2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO 2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны переделывать в сталь этим способом нельзя.

Все процессы в конверторе идут быстро - в течение 10 - 20 минут, так как кислород воздуха, продуваемого через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объему металла. При продувке воздуха, обогащенного кислородом, процессы ускоряются.

Монооксид углерода CO, образующегося при выгорании углерода, пробулькуючы вверх, сгорает там, образуя над горловиной конвертора факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем вовсе исчезает, что и служит признаком окончания процесса.

Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворенного монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливочной сталь надо обязательно розкиснюваты с помощью различных розкисникив - ферросилиция, феромангану или алюминия:

  • 2FeO + Si = 2Fe + SiO 2
  • FeO + Mn = Fe + MnO
  • 3FeO + 2Al = 3Fe + Al 2 O 3

Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO 2 и образует силикат марганца MnSiO 3, который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимая при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и большую производительность, бессемеровский образом теперь не достаточно распространен, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорания металла, и выход стали составляет лишь 90% от массы чугуна, а также расходуется много розкисникив. Серьезным недостатком является невозможность регулирования химического состава.

Бессемеровский сталь содержит обычно менее 0,2% углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т.д..


3.2. Томасовский способ

См.. также Томасовский процесс

Томасовский способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2% и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция (которые получают из доломита MgCO 3 CaCO 3). Кроме того, к чугуну прибавляют еще до 15% CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.

В этих условиях фосфатный ангидрид P 2 O 5, который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция, который переходит в шлак:

  • 4P + 5O 2 = 2P 2 O 5
  • P 2 O 5 + 3CaO = Ca 3 (PO 4) 2

Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1% фосфора температура конвертора поднимается на 150 C.

Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции:

  • FeS + CaO = FeO + CaS

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовские сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т.д..

В СССР Томасовский способ применяют для переработки фосфористого чугуна с керченского бурого железняка. Получаемый при этом шлак содержит до 20% P 2 O 5. Его размалывают и применяют как фосфорное удобрение на кислых почвах.


3.3. Мартеновская печь

См.. также Мартеновский способ получения стали

Мартеновский способ отличается от конверторного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счет кислорода воздуха, а кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома.

Мартеновская печь

Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенераторы нагреваются печными газами, горючий газ и воздух вдуваються в печь через раскаленные третий и четвертый регенератор. Через некоторое время, когда первые два регенераторы нагреваются, поток газов направляется в противоположном направлении и т. д.

Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. К шихты добавляют также известняк как флюс. Температура печи поддерживается при 1600-1650 C и выше. Выгорания углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счет избытка кислорода в горючей смеси с теми же реакциями, что и в конверторе, а когда над расплавленным чугуном образуется слой шлака - за счет оксидов железа

  • 4Fe 2 O 3 + 6Si = 8Fe + 6SiO 2
  • 2Fe 2 O 3 + 6Mn = 4Fe + 6MnO
  • Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO ↑
  • 5Fe 2 O 3 + 2P = 10FeO + P 2 O 5
  • FeO + C = Fe + CO ↑

Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов образуются силикаты и фосфаты, которые переходят в шлак. Сера тоже переходит в шлак в виде сульфида кальция:

  • MnO + SiO 2 = MnSiO 3
  • 3CaO + P 2 O 5 = Ca 3 (PO 4) 2
  • FeS + CaO = FeO + CaS

Мартеновские печи, как конверторы, работающих периодически. После разливки стали печь снова загружают шихтой и т. д. Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно в течение 6-7 часов. В отличие от конвертора в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуна железный лом и руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрева печи прекращают, сливают шлак, а затем добавляют розкисникы. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы.


3.4. Электротермический способ

Электродуговая производство стали

См.. также Электротермический способ получения стали

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конверторным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать ее химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, который загрязняет сталь и снижает ее свойства. Температура в электропечи - не ниже 2000 C. Это позволяет проводить плавку стали в сильно основных шлаках (которые трудно плавятся), при которых полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой температуре в электропечах можно легировать сталь тугоплавкими металлами - молибденом и вольфрамом. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии - до 800 кВт / ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют лишь для получения высококачественной спецстали.

Электропечи бывают разной емкости - от 0,5 до 180 т. Футеровку печи делают обычно основной (с CaO и MgO). Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90% из железного лома и на 10% из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определенной пропорции железной руды и железного лома. К шихты добавляют также известняк или известь как флюс. Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах.


4. Классификация

Стали классифицируют по различным признакам:

  • химическому составу:
    • углеродные:
      • углеродистые (до 0,25% С);
      • среднеуглеродистые (0,3 ... 0,55% С);
      • высокоуглеродистые (0,6 ... 0,85% С ;)
    • легированные (в зависимости от того, какие элементы включены в их состав):
      • хромистые;
      • марганцевые;
      • хроммарганцевисти;
      • хромникелеви;
  • качеством (качество стали зависит от металлургического процесса производства, качество определяется содержанием в стали газов кислорода, водорода, азота и вредных примесей серы и фосфора):
    • обыкновенного качества;
    • качественные;
    • высококачественные;
    • особенно высококачественные.
  • способом раскисления:
    • спокойные;
    • полуспокойная;
    • кипящие (кипящая сталь - не полностью розкиснена в печи. Выделение газов происходит и при затвердевании отливки, поэтому в нем образуется большое количество рассредоточенных газовых пузырьков. Они исчезают при дальнейшей горячей прокатке. дешевая).
  • назначению:

5. Свойства стали

5.1. Физические свойства


5.2. Механические и технологические показатели

Эти параметры характеризуют возможности стали для использования в промышленности.

  • Предел упругости - определяет максимальное напряжение после достижения которого материал возвращается к исходным размерам.
  • Предел прочности (временное сопротивление) - условное механическое напряжения, что соответствует наибольшему усилию, что достигается в процессе деформирования образца материала, достигнутом к разделению образца на части, которое соответствует максимуму на диаграмме деформирования и обозначается σ в.
  • Предел текучести - определяется как напряжение σ т в материале, при котором он начинает деформироваться пластично.
  • Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и руйнування під дією ударного навантаження.
  • Границя витривалості - максимальне за абсолютним значенням напруження циклу, за якого ще не відбувається руйнування матеріалу від втоми протягом заданої кількості циклів навантажування.
  • Тривала міцність - властивість матеріалу протидіяти руйнуванню при довгочасній дії статичного навантаження та високої температури.
  • Твердість - властивість матеріалу опиратися проникненню до нього іншого, твердішого тіла. Твердість сталі визначається вмістом у ній вуглецю і, залежно від термічної обробки, може становити 96...600 HB.

5.3. Залежність властивостей від складу і структури

Властивості сталей залежать від їх складу і структури, які формуються присутністю та процентним вмістом наступних складових.

Вуглець - складова, із збільшенням вмісту якої у сталі, збільшується її твердість і міцність, при цьому пластичність зменшується.

Кремній і марганець у межах (0,5...0,7 %) істотного впливу на властивість сталі не роблять.

Сірка є шкідливою домішкою, утворює з залізом хімічну сполуку FeS (сірчисте залізо). Сірчисте залізо у сталях утворює із залізом евтектику з температурою плавлення 1258 К, яка обумовлює червоноламкість матеріалу при обробці тиском з підігріванням. Вказана евтектика при термічній обробці розплавляється, у результаті чого між зернами втрачається зв'язок з утворенням тріщин. Крім цього, сірка зменшує пластичність і міцність сталі, стійкість до зношування та корозійну стійкість.

Фосфор надає сталі холодноламкості (крихкість при понижених температурах). Це пояснюється тим, що фосфор спричиняє сильну внутрішньокристалічну ліквацію.

Ферит - залізо з об'ємноцентрованою кристалічною ґраткою і сплави на його основі є фазою м'якою і пластичною.

Цементит - карбід заліза, хімічна сполука з формулою Fe 3 C, навпаки, надає сталі твердості та крихкості.

Перліт - евтектоїдна суміш двох фаз - фериту і цементиту, містить 1/8 цементиту і тому має підвищену міцність і твердість порівняно з феритом. Тому доевтектоїдні сталі набагато еластичніші, ніж заевтектоїдні.

Для покращення механічних та інших характеристик сталей застосовують легування. Головна мета легування переважної більшості сталей - підвищення міцності за рахунок розчинення легуючих елементів у фериті та аустеніті, утворення карбідів та збільшення прогартовуваності. Крім того, легуючі елементи можуть підвищувати стійкість проти корозії, теплостійкість, жаростійкість (окалиностійкість), жароміцність та ін. Такі елементи як хром, марганець, молібден, вольфрам, ванадій, титан утворюють карбіди, а нікель, кремній, мідь, алюміній карбідів не утворюють. Марганець та нікель знижують критичні точки А 1 і А 3, а решта - підвищують. Крім того, легуючі елементи зменшують критичну швидкість охолодження при гартуванні, що необхідно враховувати при призначенні режимів гартування (температури нагрівання та середовища для охолодження). При значній кількості легуючих елементів може суттєво змінитись структура, що приводить до утворення нових структурних класів в порівнянні з вуглецевими сталями.


6. Термообробка сталі

6.1. Види термообробки

Сталь у вихідному стані досить пластична, її можна обробляти шляхом деформування: кувати, вальцювати, штампувати. Характерною особливістю сталі є її здатність суттєво змінювати свої механічні властивості після термічної обробки сутність котрої полягає у зміні структури сталі при нагріванні, витримці та охолодженні, відповідно до спеціального режимому. Розрізняють такі види термічної обробки:

Чим багатша сталь на вуглець, тим вона твердіша після термічної обробки. Сталь із вмістом вуглецю до 0,3 % (технічне залізо) практично загартовуванню не піддається.


6.2. Вплив термообробки на твердість деяких сталей

Марки сталі Термообробка Твердість (серцевина-поверхня)
35 Нормализация 163-192 HB
40 Гартування + Високий відпуск 192-228 HB
45 Нормализация 179-207 HB
45 Гартування+Високий відпуск 235-262 HB
55 Гартування+Високий відпуск 212-248 HB
60 Гартування+Високий відпуск 217-255 HB
70 Гартування+Високий відпуск 229-269 HB
80 Гартування+Високий відпуск 269-302 HB
У9 Відпалювання 192 HB
У9 Гартування 50-58 HRC
У10 Відпалювання 197 HB
У10 Гартування 62-63 HRC
40Х Гартування+Високий відпуск 235-262 HB
40Х Гартування+Високий відпуск+Гартування струмами високої частоти 45-50 HRC; 269-302 HB
40ХН Гартування+Високий відпуск 235-262 HB
40ХН Гартування+Високий відпуск+Гартування струмами високої частоти 48-53 HRC; 269-302 HB
35ХМ Гартування+Високий відпуск 235-262 HB
35ХМ Гартування+Високий відпуск+Гартування струмами високої частоти 48-53 HRC; 269-302 HB
35Л Нормализация 163-207 HB
40Л Нормализация 147 HB
40ГЛ Гартування+Високий відпуск 235-262 HB
45Л Гартування+Високий відпуск 207-235 HB

7. Хіміко-термічна обробка сталей

Хіміко-термічна обробка сталей на додаток до змін у структурі сталі також приводить до зміни хімічного складу поверхневого шару шляхом додавання різних хімічних речовин до певної глибини поверхневого шару. Ці процедури вимагають використання контрольованих систем нагрівання та охолодження в спеціальних середовищах. Серед найпоширеніших цілей, що ставляться при використанні цих технологій є підвищення твердості поверхні при високій в'язкості серцевини, зменшення сил тертя, підвищення стійкості до зношування, підвищення стійкості до втоми та покращення корозійної стійкості. До цих методів відносяться:

  • Цементація (C) збільшує твердість поверхні м'якої сталі через збільшення концентрації вуглецю у поверхневих шарах.
  • Азотування (N) як і цементація збільшує поверхневу твердість та зносостійкість сталі.
  • Ціанування і нітроцементація (N+C) - це процес одночасного насичення поверхні сталей вуглецем і азотом. При ціануванні використовують розплави солей, які мають в своєму складі групу NaCN, а при нітроцементації - суміш аміаку з газами, які мають в складі вуглець (СО,СН 4 та ін.). Після ціанування і нітроцементації проводять гартування і низьке відпускання.
  • Сульфатування (S) - насичення поверхні сіркою, що покращує припрацювання тертьових поверхонь деталей, зменшується коефіцієнт тертя.

8. Призначення сталей

8.1. Призначення вуглецевих сталей звичайної якості

Марки сталі Назначение
Ст0 Неответственные строительные конструкции, прокладки, шайбы
Ст1 Малонагруженных деталей конструкций: заклепки, шайбы, шплинты, прокладки, кожухи
Ст2 Детали металлоконструкций: рамы, оси, валики, цементированные детали
Ст3 Рамы, детали подвергаются цементации и цианированию, от которых требуется высокая твердость поверхности при невысокой твердости сердцевины, крюки кранов, кольца, цилиндры, шатуны, крышки
Ст4 Валы, оси, тяги, пальцы, болты, гайки, детали при невысоких требованиях к прочности
Ст5 Валы, оси, звездочки, крепежные детали, зубчатые колеса, шатуны, детали при повышенных требованиях к прочности
Ст6 Валы, оси, бойки молотков, шпинделя, муфты кулачковые и фрикционные, детали с высокой прочностью

8.2. Назначение углеродистых конструкционных качественных сталей

Марки стали Назначение
0,8; 10 Детали, изготавливаемые холодной штамповкой и высадкой, трубки, прокладки, колпачки, крепежные детали. Детали, подлежащие цементации и цианированию, не требующие высокой прочности сердцевины: втулки, валики, опоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски
15, 20 Малонагруженных деталей: валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни. Тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, траверсы, вкладыши, болты, стяжки и др..
30, 35 Детали, испытывающие небольшие напряжения: оси, шпиндели, звездочки, тяги, траверсы, рычаги, диски, валы
40, 45 Детали, от которых требуется повышенная прочность: коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки и др..
50; 55 Зубчатые колеса, прокатные валики, штоки, бандажи, валы, эксцентрики, малонагруженных пружины, рессоры и др..

8.3. Назначение отдельных видов легированных конструкционных сталей

Марки стали Назначение
15Х; 20Х Детали, преимущественно мелкие, подвергаемых цементации и закалке и работающих в условиях трения : втулки, пальцы, зубчатые колеса, толкатели, яростная и т.п.
30Х Детали большого размера, которые подвергаются закалке и отпуску и имеют повышенную прочность по сравнению их сталями из углеродистой стали: оси, валики, рычаги, болты, гайки и т.п.
38ХА; 40Х Нагруженные детали, подвергающиеся закалке и отпуску: валы, оси, коленчатые валы, пальцы, рычаги, зубчатые колеса, ответственные болты, шпильки
45Х; 50Х Детали, работающих в условиях трения без значительных ударных нагрузок: валы, оси, большие зубчатые колеса
15Г; 20Г; 25Г Детали, которые подвергают цементации и цианированию: кулачковые валы, зубчатые колеса, шарниры муфт, пальцы, тяги
40Г; 45г; 50Г Детали, испытывающие износ при больших нагрузка: диски трения, шлицевые, карданные, распределительные, полуоси, анкерные болты, шпильки и т.д.
18ХГСА Сварные конструкции
45ХН; 50ХН; 20ХН3А Крупные ответственные детали: коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, болты, роторные детали, цилиндры низкого давления

См.. также


Примечания

  1. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 83th ed.; S. 12 -204; CRC Press LLC: Boca Raton, 2003

Источники

  • Хильчевский В. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебное пособие. М.: Просвещение, 2002. - 328с. ISBN 966-06-0247-2
  • Лахтин Ю. М. Основы металловедения. - М.: Металлургия, 1988. - 320с.
  • Линчевский Б.В., Соболевский А. Л., Кальменев А. А. Металлургия черных металлов - М.: Металлургия, 1986. - 360с.


Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам