К сталям относятся сплавы железа с углеродом при содержании последнего

Обновлено: 14.05.2024

Термин «железоуглеродистые сплавы» применяется для сплавов железа с углеродом и классифицируются по содержанию в них углерода, как показано в Таблице 1. Чистое железо — относительно мягкий материал, и его трудно использовать в каких-либо коммерческих целях. Чистое железо содержит 99.9917% Fe, имеет твердость НВ 490 МПа, плотность 7.874 г·м -3

Таблица 1. Сплавы железа с углеродом

Термин «углеродистая сталь» употребляется для таких сталей, у которых, по существу, присутствуют только железо и углерод, а термин «легированная сталь» — для сплава, в который входят другие элементы. Нержавеющие стали относятся к сплавам, имеющим высокое процентное содержание хрома, а следовательно, высокое сопротивление коррозии. Термин «инструментальная сталь» определяет углеродистые стали или сплавы, которые были закалены и подвергнуты отпуску и обладают необходимыми свойствами для применения их в качестве инструментального материала.

Далее перечислены различные типы железоуглеродистых сплавов.

1. Легированные стали

Термин «низколегированная сталь» используется для сплавов сталей, имеющих легирующие добавки меньше 2%, «среднелегированная сталь» содержит добавки от 2% до 10%, а «высоколегированная сталь» имеет добавки выше 10%. Во всех случаях количество углерода в сплавах меньше 1%. К сталям добавляются такие простые элементы, как алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, фосфор, кремний, сера, титан, вольфрам, ниобий, бор и ванадий.

Имеется целый ряд технологических способов, при использовании которых легирующие элементы могут влиять на свойства стали. Основные из них следующие:

Условие затвердевания стали.
Форма карбидов.
Форма графита.
Стабильность аустенита или железа.
Изменение критической скорости охлаждения.
Улучшение коррозионного сопротивления.
Изменение условий роста зерна.
Улучшение обрабатываемости на станках.

2. Углеродистые стали

Как уже отмечалось, в углеродистых сталях присутствуют только железо и углерод. Такие стали с содержанием углерода меньше 0.80% называются доэвтектоидными, с содержанием углерода между 0.80% и 2.14% — заэвтектоидными относительно эвтектоидного состава 0.8% С. Стали с содержанием углерода между 0.10% и 0.25% обозначают как мягкие, между 0.20% и 0.50% — как среднеуглеродистые, а при содержании углерода более чем 0.50% — как стали с повышенным содержанием углерода. Равновесная диаграмма состояния железо-углерод показана на Рис. 1.

Рис. 1. Равновесная диаграмма состояния железо-углерод

3. Литейные чугуны

Литейные чугуны могут быть разделены на 5 основных категорий:

Серые чугуны. Содержат углерод (графит) в пластинчатой форме. Большинство типов серого чугуна имеют графит в перлитовой структуре.
Пластичные чугуны, или чугуны с шаровидным графитом. Содержат графит в форме шаровидных включений, образовавшихся во время литья при добавлении к расплавам магния или церия. Материал имеет большую пластичность, чем серые чугуны.
Белые чугуны. В них нет графита, содержат твердый цементит. Название получили за специфический белый (светлый) блеск в изломе.
Ковкие чугуны. Получаются при тепловой обработке белых чугунов. Их иногда разделяют на две категории, ферритовый и перлитовый, или рассматривают как три группы: белосердечный, черносердечный и перлитовый. Ковкие чугуны имеют лучшую тягучесть, чем серые литейные чугуны, и это, в сочетании с их высоким пределом на растяжение, способствует их широкому применению.
Высоколегированные чугуны. Сплавы, которые содержат соответствующие добавки таких элементов, как кремний, хром, никель или алюминий. Их можно рассматривать как две категории чугунов: безграфитные белые чугуны и чугуны, содержащие графит. Безграфитные белые чугуны имеют очень высокое сопротивление истиранию. В содержащих графит чугунах он находится в форме чешуек или шаровидных включений, и к ним применимы определения теплового сопротивления серых и пластичных чугунов. Такие типы чугунов имеют весьма высокое коррозионное сопротивление и называются коррозионностойкими.

4. Автоматные стали

Эти стали имеют улучшенную обрабатываемость на станках (резанием) как следствие добавки серы, свинца, селена и/или кальция. Такие стали называются соответственно сернистыми, свинцовосодержащими, селеносодержащими и/или кальцийсодержащими автоматными. Фосфор может тоже улучшать обрабатываемость стали, способствуя образованию самоломающейся стружки во время механической обработки.

5. Мартенситно-стареющие высокопрочные стали

Мартенситно-стареющие высоколегированные стали обладают значительной прочностью, которая может быть увеличена выделением вторичных фаз (преципитатов). Это сплавы железа с никелем (8.22%), иногда с кобальтом и очень малым содержанием углерода (меньше 0.03%). Для старения в мартенсите сплавы легируют титаном, молибденом, вольфрамом. Никель и кобальт уменьшают растворимость легирующих добавок в α- железе (Fe_α), что приводит к упрочнению при старении и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Содержание углерода небольшое, поскольку относительно высокое содержание никеля приводит к образованию графита в структуре, что может вызвать снижение прочности и твердости стали.

Типичная тепловая обработка состоит в нагреве стали выше 830°С и охлаждении на воздухе. В результате получается безуглеродистый мартенсит. Последующая механическая обработка и деформация стали приводят к увеличению ее твердости путем выделения преципитатов при нагреве выше 500°С в течение двух или трех часов. До обработки материал имеет типичный предел прочности на растяжение около 700 МПа, или МН·м -2 , и твердость 300 НV, в то время как после обработки соответственно около 1700 МПа, или МН·м -2 , и 550 НV.

6. Нержавеющие стали

Есть несколько типов нержавеющих сталей: ферритные, мартенситные и аустенитные. В их состав входит хром, повышающий сопротивление коррозии.

Ферритные стали содержат хрома 12.25% и меньше 0.1% углерода. Такие стали после охлаждения жидкого состояния только изменяются к ферриту и таким образом, поскольку не образуется аустенит, затвердевают при закалке и не могут дать мартенсит. Тем не менее они могут твердеть при холодной обработке.

Мартенситные стали содержат хрома 12.18% и углерода 0.1…1.2%. После охлаждения жидкого состояния они образуют аустенит и, таким образом, могут твердеть путем закалки до заданного состояния структуры мартенсита с частицами карбида хрома. Мартенситные стали подразделяются на три группы: нержавеющие чугуны, нержавеющие стали и высокохромистые стали. Нержавеющие чугуны содержат около 0.1% углерода и 12.13% хрома, нержавеющие стали — 0.25…0.30% углерода и 11.13% хрома, а высокохромистые стали — 0.05…0.15% углерода, 16.18% хрома и 2% никеля.

Аустенитные стали содержат хрома 16.26%, более 6% никеля и очень мало углерода, 0.1% или менее. Такие сплавы полностью аустенитные при всех температурах. Они могут твердеть и при закалке, и при холодной обработке.

Во время сварки у нержавеющих сталей могут происходить структурные изменения, которые снижают коррозионную стойкость материала. Этот эффект, известный как разрушение сварного соединения, является результатом выделения преципитатов хрома, богатого карбидами на границах зерен. Единственный путь к преодолению его заключается в стабилизации стали путем добавки к ней других элементов, таких как ниобий и титан, которые имеют большее сходство с углеродом, чем хром, и таким образом формируются карбиды во включениях преципитатов в хроме.

7. Инструментальные стали

Не имеющие примесей углеродистые стали обладают твердостью благодаря высокому содержанию в них углерода. Эти стали нуждаются в закалке в холодной воде для получения максимальной твердости. К сожалению, они немного хрупкие и им не хватает пластичности. Там, где требуется материал с умеренной пластичностью, может применяться углеродистая сталь с содержанием углерода около 0.7%. А там, где твердость является основным требованием, а ударная вязкость не важна, могут применяться углеродистые стали с содержанием углерода около 1.2%.

Сплавы инструментальных сталей делаются более твердыми и более износостойкими при добавлении к ним элементов, способствующих появлению стойких твердых карбидов. В качестве таких элементов применяются марганец, хром, молибден, вольфрам и ванадий. Марганцевая инструментальная сталь содержит примерно 0.7…1% углерода и 1.0…2.0% марганца. Такая сталь закалена в масле от температуры 780…800°С и затем отпущена. Марганец может быть частично заменен хромом, что только улучшит вязкость стали. Сопротивление ударной нагрузке у инструментальных сталей предназначается для улучшения вязкости при воздействии на них ударами. Для этого необходимо мелкое зерно, которое получают при добавлении ванадия. Инструментальные стали, рассчитанные на применение в процессах с деформированием в горячем состоянии, требуют сохранения своих свойств при рабочих температурах. Хром и вольфрам, если они добавлены к сталям в форме карбидов, которые имеют и стойкость, и твердость, сохраняют свойства стали до высоких температур.

Стали, используемые для обработки с высокой скоростью на станках, называются быстрорежущими инструментальными сталями. В результате обработки материал нагревается. Такие стали не должны отпускаться при высоких температурах, которые появляются во время обработки на станках. Считается, что комбинация вольфрама и хрома в виде карбидов, сформированных при этих элементах, дает требуемые свойства стали. Они будут особенно прочны при высоких температурах.

О стали. Немного.

Сталь (от нем. Stahl) — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали от 0,1 до 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).
Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машинно и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.
Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.

Существует множество способов классификации сталей, таких как по назначению, по химическому составу, по качеству, по структуре.
По назначению стали делятся на множество категорий, таких как конструкционные стали, коррозионно стойкие (нержавеющие) стали, инструментальные стали, жаропрочные стали, криогенные стали.
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.
Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
По структуре сталь разделяется на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7 до 7,9 г/см³).
Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
Температура плавления: 1450—1520 °C.
Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C

Хромоникельвольфрамовая сталь 15,5 Вт/(м·К)
Хромистая сталь 22,4 Вт/(м·К)
Молибденовая сталь 41,9 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 30) 50,2 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 15) 54,4 Вт/(м·К)

Предел прочности стали при растяжении:
сталь для конструкций 373—412 МПа
сталь кремнехромомарганцовистая 1,52 ГПа
сталь машиностроительная (углеродистая) 314—785 МПа
сталь рельсовая 690—785 МПа

Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит 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 на сталь: конверторный, мартеновский и электротермический.

Передельный или литейный чугун в расплавленном или твердом виде и железосодержащие изделия, полученные прямым восстановлением (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как известь, плавиковый шпат, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы. Процессы производства стали делятся на два основных способа, а именно: конвертерный процесс, в котором расплавленный передельный чугун в конвертере рафинируют от примесей, продувая его кислородом, и подовый процесс, для осуществления которого используются мартеновские или электрические печи. Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда загрузка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии и даже переплавить добавленный лом. Эти процессы включают в себя такие, при которых чистый кислород вдувается в расплавленный металл (процессы Линца-Донавица: ЛД или ЛДАС, ОБМ, ОЛП, Калдо и другие), и такие процессы, ныне уже устаревшие, при которых используется воздух, иногда обогащенный кислородом (томасовский и бессемеровский процессы). Подовые процессы, однако, требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твердая шихта (например, отходы или лом, губчатое железо и твердый передельный чугун).
Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагрев осуществляется при сжигании мазута или газа, и сталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагрев осуществляется электричеством. Для производства некоторых видов стали могут быть последовательно использованы два различных процесса (дуплекс-процесс). Например, процесс плавки может начаться в мартеновской печи, а закончиться в электропечи; или же сталь, расплавленная в электропечи, может быть слита в специальный конвертер, где обезуглероживание завершается путём вдувания кислорода и аргона в жидкую ванну (процесс, используемый, например, для производства коррозионностойкой стали).
Возникло много новых процессов производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти процессы включают дуговой переплав в вакууме, электронно-лучевую плавку и электрошлаковый переплав. Во всех этих процессах сталь получается из переплавляемого электрода, который при плавлении начинает капать в кристаллизатор. Кристаллизатор может быть изготовлен цельным или его днище может быть отъемным для того, чтобы затвердевшую отливку можно было вынуть снизу. Жидкая сталь, полученная вышеописанными процессами, с дальнейшим рафинированием или без него, сливается в ковш. На этом этапе в неё могут быть добавлены легирующие элементы или раскислители. Процесс также можно провести в вакууме, что обеспечивает снижение содержания газообразных примесей в стали. Стали, полученные этими процессами, подразделяются в соответствии с содержанием в них легирующих элементов на "нелегированные стали" и "легированные стали" (коррозионностойкие стали или другие виды). Далее они подразделяются в соответствии с их индивидуальными свойствами, например, на автоматную сталь, кремнистую электротехническую сталь, быстрорежущую сталь или кремнемарганцовистую сталь.

Зависимость свойств от состава и структуры:
Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих.
Углерод — элемент, с увеличением содержания которого в стали увеличивается её твёрдость и прочность, при этом уменьшается пластичность.
Кремний и марганец (в пределах 0,5 … 0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают. Эти элементы вводятся в большинство углеродистых и низколегированных марок сталей во время операции раскисления (сначала — ферромарганец, затем — ферросилиций, как дешевые раскисляющие ферросплавы).
Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления 1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.
Фосфор также является вредной примесью, т. к. придает стали хладноломкость (хрупкость при пониженных температурах). Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию. Однако существует группа сталей с повышенным содержанием фосфора, так называемые — "автоматные стали", металлоизделия из которых легко поддаются обработке резанием (например, болты, гайки и пр. на револьверных токарных станках-полуавтоматах).
Феррит — железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой. Сплавы на его основе обладают мягкой и пластичной микроструктурой.
Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C, наоборот, придаёт стали твёрдость. При появлении в структуре заэвтектоидной стали свободного цементита (при С более 0,8 %) пропадает четкая связь между содержанием углерода и комплексом механических свойств: твердостью, ударной вязкостью и прочностью.
Перлит — эвтектоидная (мелкодисперсная механическая смесь) смесь двух фаз — феррита и цементита, содержит 1/8 цементита (точнее — согласно правилу "рычага", если пренебречь растворимостью углерода в феррите при комнатной температуре — 0,8/6,67) и поэтому имеет повышенную прочность и твёрдость по сравнению с ферритом. Поэтому доэвтектоидные стали гораздо более пластичны, чем заэвтектоидные.
Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма состояния сплавов железо-углерод — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего большинства сталей — повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы, как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями.

Сталь в исходном состоянии достаточно пластична, её можно обрабатывать путём деформирования: ковать, вальцевать, штамповать. Характерной особенностью стали является её способность существенно изменять свои механические свойства после термической обработки, сущность которой заключается в изменении структуры стали при нагреве, выдержке и охлаждении, согласно специальному режиму. Различают следующие виды термической обработки:
отжиг;
нормализация;
закалки;
отпуск.
Чем богаче сталь на углерод, тем она твёрже после закалки. Сталь с содержанием углерода до 0,3 % (техническое железо) практически закаливанию не поддается.

Химико-термическая обработка сталей в дополнение к изменениям в структуре стали также приводит к изменению химического состава поверхностного слоя путём добавления различных химических веществ до определенной глубины поверхностного слоя. Эти процедуры требуют использования контролируемых систем нагрева и охлаждения в специальных средах. Среди наиболее распространённых целей, относящихся при использовании этих технологий, является повышение твёрдости поверхности при высокой вязкости сердцевины, уменьшение сил трения, повышения износостойкости, повышения устойчивости к усталости и улучшения коррозионной стойкости. К этим методам относятся:
Цементация © увеличивает твёрдость поверхности мягкой стали из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.
Азотирование (N), как и цементация, увеличивает поверхностную твёрдость и износостойкость стали.
Цианирование и нитроцементация (N + C) — это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем составе группу NaCN, а при нитроцементации — смесь аммиака с газами, которые имеют в составе углерод (СО, СН4 и др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.
Сульфатирование (S) — насыщение поверхности серой улучшает приработки трущихся поверхностей деталей, уменьшается коэффициент трения.

Сталь.

Все мы привыкли считать, что есть чугун и есть сталь. Однако, если ознакомиться с технологическим процессом производства стали, то мы поймём, что сталь является продуктом переработки чугуна. Общепринятое определение – сталь является сплавом железа и углерода с содержанием последнего в пределах 0,1 – 2,14%. Причём, чем меньше доля углерода, тем лучше свариваемость стали и хуже восприимчивость к термообработке

Условия применения стали предъявляют самые разнообразные требования к её физико-химическим свойствам. В связи с этим в состав сплава могут вводиться различные лигатуры, уменьшая долю железа. Поэтому существует уточнённое определение стали – это сплав железа и углерода, но при этом массовая доля железа должна составлять не менее 45%.

Наличие в сплаве железа, углерода и легирующих элементов в тех или иных долях определяет принадлежность стали к какому-либо классу.

Классификация стали.

Несмотря на существование множества современных высокотехнологичных материалов, сталь остаётся одним из самых широко применяемых материалов. Относится это и к производству приводных механизмов. Каким бы ни был редуктор, в нём обязательно присутствуют стальные детали. Справедливо это утверждение и по отношению к приводным цепям.

Итак, рассмотрим основные варианты классификации стали.

По назначению.

По своему назначению сталь подразделяется на следующие категории – строительная, машиностроительная и инструментальная.

Строительная сталь.

Основным требованием, предъявляемым к строительной стали, является хорошая свариваемость. Это возможно при содержании углерода до 0,25%. Справедливым будет утверждение, что к строительным относятся низкоуглеродистые стали. Типовые марки – Ст1, Ст2 и Ст3.

Применение строительной стали.

Химический состав строительной стали определяет её применение в различных строительных конструкциях или оборудовании при необходимости соединения сборочных единиц путём проведения сварочных работ. Некоторые модели цилиндрических редукторов компонуются в корпусах из строительной стали.

Машиностроительная сталь.

К машиностроительным сталям относится сплав железа и углерода с содержанием последнего в пределах от 0,3 до 0,7%. Данный тип имеет худшую, по сравнению со строительной сталью, свариваемость, но при этом лучше воспринимает процесс закалки и отпуска. Типовые марки – Сталь 40Х или Сталь 45.

Применение машиностроительной стали.

Среднеуглеродистые машиностроительные стали применяются при производстве самого широкого спектра деталей в общем машиностроении. Как правило, производственный процесс подразумевает наличие термических или химико-термических операций. Пример продукции, представленной в каталоге, - запасные части редукторов и звенья приводных роликовых цепей.

Инструментальная сталь.

Название инструментальной стали говорит за себя. Основным требованием, предъявляемым к любому стальному инструменту, является твёрдость. Эта характеристика достигается путём достижения доли содержания углерода в сплаве свыше 0,7%. Наиболее распространённые марки – от У7 до У13.

Применение инструментальной стали.

Помимо своего прямого назначения, инструментальная сталь применяется при производстве различных пружин. В частности, плоские пружины используются при сборке электродвигателей и соединительных замков цепей.

По содержанию углерода.

Показатель процентного содержания углерода в химическом составе стали определяет её отношение к одной из трёх групп:

низкоуглеродистые – содержание углерода менее 0,25%;
среднеуглеродистые – углерода содержится от 0,3 до 0,7%;
высокоуглеродистые – доля углерода превышает 0,7%.

Низкоуглеродистые стали.

Низкоуглеродистая сталь может иметь множество различных обозначений. Всё зависит от массовой доли углерода и наличия в сплаве дополнительных химических элементов. Пример – Ст 08пс, Сталь 10 или 25ХГЛ. Общее в обозначении – первое число не более 25. Самый характерный признак данной категории – прекрасная свариваемость

Применение низкоуглеродистой стали в редукторах.

Из низкоуглеродистых сталей производятся различные штампованные элементы корпусов редукторов – различные смотровые люки и крышки. Сталь с содержанием углерода 0,2-0,25% применяется при изготовлении зубчатых колёс мотор-редукторов типа МЦ2С и цилиндрических редукторов типа Ц2У. Для повышения прочностных характеристик шестерни после механической обработки подвергаются цементации.

Среднеуглеродистая сталь.

Среднеуглеродистые стали имеют в своей маркировке начальные числа от 30 до 50, что означает сотые доли процента содержания углерода. Свариваемость плохая – всем знакома ситуация, когда шов трескается. Пример марок среднеуглеродистых сталей – Сталь 40Х, Сталь 45 или 50Г2.

Применение среднеуглеродистой стали.

До недавних пор среднеуглеродистые стали являлись основным материалом для изготовления валов-шестерен и колёс зубчатых редукторов. Например, так производились редукторы типа РМ или РЦД. В настоящее время из данной категории металла изготавливают различные валы и муфты, работающие под нагрузкой или при повышенной вибрации.

Высокоуглеродистые стали.

В высокоуглеродистых сталях фактическое содержание углерода превышает 0,55%. Чем выше в стали содержится углерода, тем больше её физические свойства приближаются к чугуну. Это же можно сказать и относительно прочности. Пример марок – У7А, У9А или У13А. Производство высокоуглеродистых сталей принято считать более затратным.

Применение высокоуглеродистых сталей.

Напрямую высокоуглеродистая сталь в редукторах применяется в ничтожных количествах, только в виде каких либо пружин. Но косвенное использование является повсеместных – стальные шарики дробемётных установок, метчики, напильники и т.д. Именно повышенная прочность стали с высоким содержанием углерода вносит определённые ограничение на применение изделий из этого материала.

Материаловедение: сталь

Что такое сталь? Каковы плотность, температура плавления и другие характеристики стали? В чем роль стального проката в производстве, и как объяснить неуклонный рост цен на сталь в последние годы? Обо всем этом и не только – в нашей новой статье.

Сталь – сплав железа (Fe) с углеродом (C). При этом доля углерода в составе мала: до 2,14% в теории и обычно не более 1,5% на практике. Как и в любых других сплавах, в сталях всегда присутствуют примеси (сера, фосфор, кремний), а для улучшения свойств могут вводиться легирующие элементы.

В силу высокой прочности, жесткости, а также из-за дешевизны сталь используется повсеместно и считается ключевым продуктом черной металлургии. Что важно в свете «зеленых» трендов: сталь можно перерабатывать практически бесконечно. По данным Всемирной ассоциации стали, 75% стальных изделий, выпущенных с момента появления мартеновской плавильной печи в 1864 году, до сих пор в обиходе.

Эти железосодержащие сплавы похожи и по составу, и способом получения. Принципиальное различие в доле углерода. Если его меньше 2,14% от состава, то это сталь; если больше – чугун. Во многом отсюда и разница в свойствах. Так, сталь легче в обработке, тверже и прочнее, ее не разбить ударом. Чугун же хрупче, тяжелее, но более теплоемкий (дольше держит тепло) и в отличие от стали подходит для литья, в том числе художественного. Отметим также, что чугун часто используется для передела в сталь.

Отметим, что у стали высокая температура плавления – это не ЦАМ, не свинец и уж тем более не олово, которые можно плавить у себя на кухне. Сами по себе стальные изделия увесистые – в 2,5 раза тяжелее аналогичных алюминиевых (плотность сплавов алюминия – 2400-2900 кг/м³). Ну и очевидное: все черные стали реагируют на магнит. Причем чем меньше в них углерода, тем лучше магнитные свойства.

Все знают: железо и его сплавы ржавеют. Сталь не исключение. Главная причина появления ржавчины – повреждение оксидной пленки. У тех же алюминия, хрома и никеля она тонкая, но плотная и прочная – настолько, что атомы кислорода не в состоянии диффундировать через нее. У сталей же оксидная пленка хоть и плотная, но непрочная и в любых условиях быстро растрескивается.

Для предотвращения окисления и развития ржавчины сталь покрывают химическим способом – например, оцинковкой, погружая заготовку в бак с расплавленным цинком. В этом случае молекулы цинка реагируют с молекулами железа, и на поверхности образуется защитный слой. Для закрепления эффекта его покрывают дополнительными слоями цинка. Идея способа основана на том, что отрицательный потенциал цинка выше, чем у железа, и в такой паре железо будет восстанавливаться, а цинк отважно послужит щитом для коррозии.

Чтобы металлические конструкции не ржавели, применяют стали, легированные хромом (12-20%) и некоторыми другими металлами, такими как никель, титан и молибден. Защита от ржавчины здесь заключается в формировании инертного слоя оксида хрома, способного к самовосстановлению.

Сразу развеем расхожий миф, что нержавеющая сталь якобы не магнитится. По факту это справедливо для хромникелевых и хромомарганцевоникелевых сталей, к которым относится всем известная пищевая нержавейка. В то же время техническая нержавеющая сталь, из которой делают клапаны, фитинги и трубы, на магнит вполне себе реагирует.

Впрочем, термообработка не ограничена одной закалкой. Есть еще как минимум отжиг, нормализация и отпуск. Отжигу сталь подвергают для улучшения обработки (принося в жертву твердость); нормализации – для выравнивания структуры и устранения зернистости. Отпуск нужен для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости (пусть, опять же, и в ущерб твердости). Отметим, что отпуск выполняется после закалки и считается важным этапом термообработки, тогда как без отжига и нормализации зачастую можно обойтись.

В любой марке стали есть примеси, пусть и в микроскопическом количестве. Некоторые, такие как кремний, даже улучшают свойства сплава. Однако вредных примесей больше; среди них сера, фосфор, а также газы: кислород, азот и водород.

• Хром (Cr). Придает износостойкость, способность к закаливанию и устойчивость к коррозии. Стали с содержанием хрома от 12% относят к нержавеющим.

• Марганец (Mn). Может присутствовать в виде примесей. Дополнительная присадка марганца улучшает прокаливаемость стали и нивелирует вредное воздействие серы.

• Молибден (Mo). Одна из главных упрочняющих легирующих добавок в жаропрочных сталях. Доля в составе незначительна: 0,15-0,8%.

• Ванадий (V). С ним сталь становится прочнее и устойчивее к износу. Содержание: 1,0-1,5% в штамповых сталях, 0,2-0,8% в специальных.

Содержат только железо, углерод и примеси. Определяющий элемент – углерод: чем его больше, тем сталь жестче и тверже. Чем меньше – тем сталь пластичней, ударопрочней, удобнее в обработке и сварке.

Легированные – это стали, которые кроме основных компонентов и примесей содержат специально вводимые легирующие добавки. По типу легирования такие стали подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромо-никель-кремний-марганцовистые и др. По доле легирующих элементов в составе – на низко- (<5% С), средне- (5-10% C) и высоколегированные (>10% C).

Качество стали определяется спецификой производственных процессов, перерабатываемым сырьем, видом плавки и другими факторами. Все это, в свою очередь, напрямую зависит от состава сплава и содержания в нем примесей.

Стали обыкновенного качества. Рядовые углеродистые стали, где углерода менее 0,6%, серы – в диапазоне 0,045-0,060%, фосфора – 0,04-0,07%. Являясь самыми дешевыми, такие стали уступают сталям остальных классов по всем ключевым свойствам.

Качественные стали. Могут быть углеродистыми (марки 08, 10, 15…) или легированными (0,8кп, 10пс…). Нормативы по примесям: серы – не более 0,04%, фосфора – 0,035-0,04%.

Высококачественные стали. Углеродистые или легированные. Содержание примесей: серы – не более 0,02%, фосфора – не более 0,03%. Примеры марок: стали 20А, 15Х2МА.

Особовысококачественные стали. Эти стали только легированные и содержат не более 0,015% серы и не более 0,025% фосфора. Примеры марок: 20ХГНТР-Ш, 18ХГ-Ш.

Идут на изготовление сварных строительных конструкций, узлов механизмов, деталей машин. Могут быть углеродистыми или легированными. Примеры марок: Ст1, Ст2, Ст3; 05, 10, 15; 15Г, 20Х, 45 ХН и др.

Из них делают режущие и ударные инструменты – от лезвия топора и губок плоскогубцев до напильника и сверла. Само собой, такие стали должны быть твердыми, поэтому содержание углерода в них не менее 0,7%. Примеры марок: У7, У8ГА, У10А (У – углеродистая; число – усредненное содержание углерода, выраженное в десятых долях процента; Г – повышенное содержание марганца; А – высококачественная сталь).

По большому счету, это те же конструкционные стали, но со специфическим составом, особым способом производства или обработки. Нержавеющие, жаропрочные, электротехнические, кислотостойкие стали – все они относятся к специальным.

Речь о том, сколько кислорода было выведено из жидкого металла при производстве стали и сколько его по итогу осталось. В целом: чем меньше в сплаве остается кислорода, тем чище состав и однородней структура.

Кипящие стали (кп). Раскисляются только марганцем. Обычно это низкоуглеродистые стали с большим количеством оксидов углерода – отсюда просадка в прочности и пластичности. Как следствие, кипящие стали склонны к разрушению, растрескиванию, плохо свариваются и поэтому идут в ход лишь в простых конструкциях. Из плюсов: кипящая сталь самая дешевая.

Спокойные стали (сп). Раскисляются в плавильных печах и ковшах алюминием, марганцем, кремнием. В отличие от кипящих, спокойные стали стабильны: содержат мало остаточного кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газообразных примесей. Применение: конструкции ответственного назначения.

Полуспокойные стали (псп). Частично насыщенные кислородом стали, раскисляемые марганцем и алюминием. Всегда углеродистые. Среднепрочные, применяются в строительстве.

Нет более неудобного вопроса, чем «сколько стоит сталь»? Во-первых, какая и где – на бирже или у местных трейдеров металлопроката? Во-вторых, эта статья написана в марте 2022 года, когда экономику России (да и других стран мира) засосало в турбулентную фазу. Мы можем лишь констатировать, что в ближайшие год-два стоимость стали будет расти. Причем расти кратно, если сравнивать с допандемийным уровнем. Связано это с несколькими причинами:

• Первая волна коронавируса, во время которой приостанавливался сбор лома и ограничивалась работа сталеплавильных заводов. К осени 2020 года из-за лавины отложенного спроса и промедления трейдеров это привело к общемировому дефициту стали.

• Конфликт России с Украиной, последующие санкции, разрыв производственных и логистических цепочек. Это уже ускорило девальвацию рубля, а в перспективе может привести и к гиперинфляции, если конфликт окажется затяжным.

• Зеленые тренды в соответствии с определенными ООН целями в области устойчивого развития (ЦУР). Страны, включая мировую фабрику под названием Китай, уже сокращают выплавку стали ради снижения углеродного следа. Это в каком-то смысле парадоксально, ведь именно сталь – один из важнейших материалов для производства ветрогенераторов и электрокаров, так агрессивно насаждаемых на Западе.

В России фурнитуру для входных и межкомнатных дверей производят по большей части из низкоуглеродистой конструкционной стали. Одна из самых ходовых марок – Ст3 и ее аналоги. Из ее листов изготавливают дверные петли, корпуса и планки замков, розетки дверных ручек, задвижки и, например, крепеж. Подчеркнем: мы говорим о видимых элементах конструкции. Для тех же петельных подшипников есть инструментальные подшипниковые стали (например, ШХ-15). Для возвратных пружин в ручках и замках – средне- и высокоуглеродистая пружинная сталь.

(+) Прочность и антивандальность. Сталь крепче цветных металлов вроде алюминия, латуни и ЦАМ и дольше пилится. Вспомните корпуса гаражных навесных замков – там сплошь и рядом либо сталь, либо чугун.

(+) Дешевизна. Просто приценитесь, сколько стоят стальные дверные петли, а сколько – аналогичные по размерам латунные. Подсказка: первые дешевле в 3-5 раз.

(+) Магнитные свойства. Благодаря этому мы имеем счастье пользоваться такими чудесами инженерной мысли, как магнитные защелки и магнитные дверные стопоры.

(-) Низкие литейные качества. Снова обратимся к дверным петлям. В то время как латунные петли получают литьем под давлением, стальные – гибкой и штамповкой. Отсюда «побочные эффекты»: заметные швы и стыки, зазоры от 2 мм, неровные края, несоразмерность.

(-) Коррозия. Антикоррозийное покрытие рано или поздно повредится, и изделие начнет ржаветь. Кто-то возразит: но как же, есть же, скажем, дверные ручки из нержавеющей стали. А мы и не спорим. Но именно в России в частном секторе они не в ходу из-за дороговизны и ограниченности дизайна, продиктованной опять же низкими литейными качествами.

(-) Вес. Если вы подбираете небольшой и удобный в переноске навесной замок для багажа или противоугонного троса, то, возможно, есть смысл предпочесть алюминий. При одинаковых габаритах алюминиевый замок окажется в 2,5 раза легче стального. Тем более что упрочнение тела замка в данном случае неоправданно: в маленьких замках куда проще перекусить дужку, чем водить пилой по корпусу.

Сплав железа с углеродом

Открытие сплава железа с углеродом явилось одним из самых важных событий в истории развития металлургии. Именно эти два элемента подарили миру наиболее востребованные марки стали и чугуна. Это те сплавы, из которых производится большая часть промышленного оборудования, металлических конструкций, инструмента, изделий бытового назначения.

В зависимости от процентного содержания углерода в железе, а также способа литья эти сплавы приобретают разные свойства: стойкость к коррозии, необычайную прочность, эластичность и т. д. О том, какие сплавы железа и углерода используются сегодня и как их получают, вы узнаете из нашего материала.

История открытия сплавов железа с углеродом

Выдающийся изобретатель Дмитрий Чернов прославился диаграммой «железо-углерод» и открытием, связанным с полиморфными превращениями. Именно он стал первооткрывателем особых точек в таких сплавах, как чугун и сталь. По мнению ученого, на расположение точек на диаграмме влияет процентная доля углерода.

Открытие стало настолько значимым, что положило начало новой науке – металлографии.

Сама диаграмма сплава железа с углеродом – это масштабный проект, разработанный несколькими учеными из разных уголков мира. Именно поэтому обозначения фаз и основных точек являются международными.

Структурные составляющие сплавов железо-углерод

Основа чугуна и стали – сплав железа с углеродом. Оба черных сплава являются незаменимыми при создании конструкционных деталей для техники. Их качества и структура определяются свойствами базовых компонентов и примесей. Также важно учитывать характер взаимодействия элементов.

Чистое железо – это серебристо-белый металл, который имеет температуру плавления +1 539 °С. Металл является тугоплавким и может обладать одной из полиморфных модификаций – a либо g.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Нагрев железа приводит к превращению решетки из объемно-центрированной в гранецентрированную. Для создания g-железа необходим высокотемпературный режим – от +910 °С до +1 392 °С.

Углерод представляет собой неметаллический элемент. Его температура плавления составляет +3 500 °С. В природе элемент способен существовать в виде алмаза или графита. Первая полиморфная модификация в сплавах не встречается.

Если говорить об углеродистой структуре в сплаве железо-углерод, то она слоистая. В связи с этим неметаллический элемент в свободном виде имеет форму графита, особенность которого заключается в низких показателях пластичности и прочности.

Углерод растворим в железе и в жидком, и в твердом состоянии. Он способен создать химическое соединение под названием цементит, где углерод в свободном виде также будет иметь форму графита.

Возможные составляющие сплавов железа с углеродом перечислены ниже:

Диаграмма сплава железо-углерод

На диаграмме сплава можно выделить следующие границы:

Линия ледебуритного превращения (линия ECF). Если содержание углерода в сплаве выше 2,14 %, то при его охлаждении жидкая фаза под линией становится ледебуритом.
Линия ликвидус (линия ACD). Ее особенность заключается в том, что при снижении температуры под ней запускается кристаллизация сплавов.
Линия перлитного превращения (линия PSK). При снижении температуры сплав под ней из аустенита превращается в перлит.
Линия солидус (линия AECF). При снижении температуры сплав под ней становится твердым.

Также на диаграмме присутствует несколько важных точек:

Обычно температурный режим, при котором достигается необходимое состояние сплава, обозначается буквой А.

Из-за того, что фазы в сплавах железа с углеродом имеют разные температуры при нагреве и охлаждении, приходится вводить дополнительные обозначения.

Как читать диаграмму сплава железа с углеродом

Сплавы системы железо-углерод имеют свойство меняться при охлаждении или нагреве, повышении или снижении давления. Графически такие процессы обозначены на диаграмме состояния. Благодаря ей можно понять, как происходит то или иное превращение сплава.

Состав сплава с первоначальной долей углерода при заданной температуре можно увидеть, если двигаться по вертикальной прямой, которая соответствует содержанию в сплаве углерода.

Правило легче понять на примере, поэтому рассмотрим на диаграмме зону AEC. Возле нее находятся области жидкой фазы и аустенита (AESG). Следовательно, соединение в данной области состоит из образующегося твердого аустенита и жидкой фазы.

Определим для него концентрация углерода, двигаясь по разным фазам. Для этого нужно знать изначальную концентрацию углерода и заданную температуру. В примере это 2,5 % и +1 250 °С.

Теперь из точки графика нужно провести горизонтальную линию. Ее пересечение с АЕ, которая граничит с зоной аустенита, покажет содержание углерода в аустените при температуре +1 250 °С.

Если же прямая будет пересекаться с АС, которая граничит с зоной жидкой фазы, то можно узнать концентрацию углерода уже в жидкой фазе.

При сохранении температуры по данному методу определимо процентное содержание углерода в фазах абсолютно любого сплава:

в области AEC в аустените и в жидкой фазе;
в области CDF в жидкой фазе (процентное содержание углерода в цементите при этом неизменно – 6,67 %);
в области GPS в аустените и в феррите;
в области QPKL в феррите;
в области SEFK в аустените.

Когда содержание углерода становится выше, чем 2,14 %, охлаждаемый сплав получает насыщение углеродом ближе к 4,3 % (по линиям DC и AC) по мере приближения к температуре +1 147 °С (на уровне ECF). Затем жидкость превращается в эвтектику (ледебурит). Среднее содержание углерода остается неизменным.

Применение стали из железоуглеродистых сплавов

Сталь, как и чугун, представляет собой сплав железа с углеродом. Металлы имеют широкое распространение, особенно часто их задействуют в машиностроении.

В стали концентрация углерода составляет не более 2 %.

Примеры металла:

инструментальная сталь;
конструкционная сталь;
техническое железо.

Если в стали содержание углерода было строго меньше 2 %, то в чугуне – больше. В среднем, концентрация вещества составляет от 2,5 до 3,5 %.

Помимо железа и углерода в металлах содержатся такие добавки:

марганец и кремний, содержание которых исчисляется в десятых долях процента (от 0,15 до 0,6 %);
фосфор и сера, концентрация которых составляет сотые доли процента (от 0,05 до 0,03 %).

Сталь, в которой концентрация углерода составляет не более 0,7 %, часто используется для создания:

листов;
проволоки;
ленты;
фасонного профиля разных видов;
уголкового железа;
таврового железа;
различных деталей, используемых в машиностроении (например, осей, шестерен, болтов, кувалд, молотков и др.).

Сталь, в которой концентрация углерода составляет более 0,7 %, используется при изготовлении режущих инструментов:

бородок;
резцов;
зубил;
сверл;
метчиков.

Свойства данного сплава железа с углеродом зависят от концентрации неметаллического компонента. Так, чем больше будет углерода, тем прочнее и тверже получится сталь.

Разновидности чугуна из сплава железа с углеродом

Выделяют два основных вида чугуна – литейный и предельный. Первый вид принято использовать в производстве и промышленной сфере. Второй находит применение в создании стали кислородно-конвертерным путем. В получившемся соединении доля марганца и кремния крайне мала.

Литейный чугун также имеет несколько разновидностей:

Половинчатая. Такой чугун имеет специальные свойства, так как часть углерода из состава имеет форму цементита, а другая часть – форму графита.
Белая. Здесь углерод находится в виде карбида железа. Название произошло от белого оттенка разлома. Белый чугун не находит применения в чистом виде, но активно используется при создании ковкого чугуна.
Серая. Отлив на изломе серебристый, поэтому такой чугун называют серым. Сфера использования материала достаточно широкая, в том числе и потому, что чугун легко обрабатывать резцами.
Высокопрочная. Данная разновидность способна увеличить прочность любого материала, куда она будет добавлена. Материал получают из серого чугуна и небольшого количества магния.
Ковкая. Как и в случае высокопрочной разновидности, в основе находится серый чугун. Повысить пластичность помогает процесс отжига.

Полиморфные превращения в сплавах железо-углерод

Полиморфные превращения в сплавах железа с углеродом происходят при соблюдении температурного режима.

Если температура составляет меньше +911 °С, то состояние железа называется α-феррумом. Кристаллическая решетка железа – ОЦК, что расшифровывается как объемный гранецентрированный куб. Особенность решетки состоит в большом расстоянии между атомами.

При температуре от +911 до +1392 °С у железа наблюдается модификация гамма. Кристаличесская решетка γ-феррума – ГЦК, т. е. гранецентрированный куб. Расстояние между атомами меньше, чем в случае объемного гранецентрированного куба.

Когда железо переходит из модификации альфа в гамму, его объем уменьшается. Причина кроется в виде кристаллической решетки. В ОЦК атомы не настолько упорядочены, как в ГЦК.

Правило работает и в обратном направлении. При переходе из гамма-стадии в альфа-стадию объем сплава железа с углеродом возрастает.

Если температура находится в диапазоне от +1 392 до +1 539 °С (последняя – температура плавления железа), то α-феррум переходит в свою другую разновидность – δ-феррум. Стоит помнить, что структура δ-феррума неустойчива, поэтому стремится перейти в более устойчивое состояние.

В результате удалось выяснить, что сталь и чугун – сплавы железа с углеродом с разным содержанием углерода и примесей. Это напрямую влияет на механические и химические свойства стали, а они – на сферу применения конечного материала.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Читайте также: