Модифицированные и высокопрочные чугуны.

Для качества чугуна играет большую роль форма и размер графитных включений. С целью образования структуры мелкого графита в жидкий чугун перед разливкой его по формам вводят небольшое количество веществ, образующих нерастворимые в чугуне частицы, которые при затвердевании служат центрами кристаллизации графита.

Добавление в жидкий металл элементов, образующих дополнительные центры кристаллизации, называется модифицированием, а сами элементы - модификаторами. Модификаторами служат элементы: кальций (силикокальций), алюминий, кремний (ферро-силиций) и др., образующие при добавке в чугун соответствующие окислы: СаО; Al₂ О₃; Si₂ О₃ путем соединения с растворенным в чугуне кислородом, и находятся в жидком чугуне первое время во взвешенном состоянии.

В результате модифицирования чугун приобретает более высокие механические свойства. Кроме того чугун модифицируют алюминием (бором, висмутом и др. элементами) с целью ускорения отжига. В этом случае длительность отжига составляет 24-60 часов.

Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, сравнительно небольшое содержа-ние кремния и повышенное содержание марганца и имеющий без введения модификаторов структуру половинчатого чугуна, т.е. ледебурит, перлит и графит.

Марки модифицированного чугуна: СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 35-56 и СЧ 38-60.

Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых щелочных и щелочноземельных металлов. Чаще для этой цели применяют магний. В количестве 0,03-0,07 %. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от обычного серого чугуна.

Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Шаровидный графит значительно меньше ослабляет металлическую ос-нову чугуна, по сравнению с пластинчатым графитом. В отличие от пластинчатого шаровид-ный графит не является активным концентратором напряжений. Эти чугуны имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой стали, сохраняя при этом положитель-ные свойства чугуна: хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрацию, высокую износостойкость и т.д.

Обычный состав чугуна: С≤ 3,3 %; 2,2 -2,5 % Si; 0,5-0,8 %Мn ; S ≤ 0,14 %; Р ≤ 0,2 %.

Маркировка высокопрочных чугунов осуществляется в соответствии с ГОСТ 7993-90. Например, ВЧ 40-10 означает - высокопрочный чугун со средним пределом прочности при растяжении - 40 кгс/мм²; с относительным удлинением – 10 %.

Чугуны ВЧ 50- 1,5 и ВЧ 60-2 имеют перлитную металлическую основу, чугуны ВЧ 45-5 перлитно - ферритную и ВЧ 40-10 – ферритную. Для снятия литейных напряжений, повышения механических свойств чугун нередко подвергают термической обработке.

Отливки из высокопрочного чугуна широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Так, в автостроении и дизелестроении высокопрочный чугун применяется для коленчатых валов и др.; в тяжелом машиностроении для многих деталей прокатных станов и кузнечно-прессовом оборудовании (для шабот - молотов, траверс прессов, прокатных валков); в химической и нефтяной промышленности для корпусов насосов, вентилей и т.д.

В подшипниковых узлах используются антифрикционные чугуны с глобулярным графитом: АВЧ -1 с перлитной структурой и АВЧ -2 с повышенным содержанием кремния (2,2-2,7 %) и ферритно - перлитной структурой (50 % перлита) для работы с термически необработанными валами.

Разряд.

1.Сплавы железа с углеродом, в которых содержится более 2,14 % углерода называют чугунами (см. рисунок 14. Диаграмма железо – углерод (цементит).

При кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 % С, из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих линии ликвидус ВС, сначала выделяются кристаллы аустенита. Состав жидкой фазы в интервале температур кристаллизации определяется линией ВС, а аустенита - линией JЕ.

При температуре 1147°С (или 1130 °С - температура эвтектики) в результате кристаллизации жидкого сплава состава С ( 4,3 % углерода) образуется эвтектика. Линия ЕСF (линия солидус) соответствует кристаллизации эвтектики - ледебурит (АЕ + Fe₃C). Жс→АЕ + Fe3C.

Эвтектический сплав (4,3 %С) затвердевает при постоянной температуре с образованием только эвтектики - ледебурита (АЕ + Fe₃C.)

На линии ликвидус CD в жидкой фазе при охлаждении начинают зарождаться кристаллы цементита. После окончательного затвердевания сплава линии СF (солидус) заэвтектические чугуны (4,3-6,67 %С) состоят из первичного цементита и ледебурита.

Характерные линии.

Линия SE (723 °С - 1130 °С).Окончание растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях. Начало выделение цементита из аустенита в заэвтектоидных сталях. Критические точки - Асm (при нагреве) и Аr _m (при охлаждении).

Линия РSК (727 °С).Превращения перлита в аустенит при нагреве. Превращения аустенита в перлит при охлаждении. Критические точки - Ас₁(при нагреве) и Аr₁(при охлаждении).

Линия ECF (1130 °С или 1147 °С)- начало плавления чугуна при нагреве; окончание затвердевания чугуна при охлаждении.

Линия АВСD - окончание расплавления стали и чугуна при нагреве начало затвердевания стали и чугуна при охлаждении.

2.В зависимости от содержания углерода, а, следовательно, и от структуры чугуны делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Их структура, а также вызываемые нагревом и охлаждением превращения отражаются диаграммой состояния Fe-С.

Структурными составляющими белых чугунов является перлит, ледебурит и первичный цементит. Перлит белых чугунов под микроскопом ничем не отличается ни по составу, ни по виду от перлита сталей.

Доэвтектическими -называют чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %. Доэвтетические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру, состоящую из темных участков перлита, ледебурита и вторичного цементита. С увеличением содержания углерода количества ледебурита в доэвтектических чугунах также увеличивается и при 4,3% С достигает 100 % занимаемой на микроструктуре площади (рисунок 26 а).

а (х300) б (х450) в (х150)

перлит ледебурит ледебурит цементит

Рисунок 26 – Микроструктура белых чугунов.

Ледебурит – цементитная эвтектика, представляющая собой смесь перлита с цементитом. Строение ледебурита более грубое, чем перлита в стали, поэтому оно различимо уже при увеличении порядка х200.

Эвтектическим называется чугун, структура которого состоит из одного ледебурита (перлит + цементит), с содержанием углерода 4,3 %С (рис. 26 б)

Заэвтектическими -называют чугуны с содержанием углерода свыше 4,3 %С (4,3-6,67 %С). Их структура состоит из первичного цементита в виде светлых игл и ледебурита (рис.26 в).

Серые чугуны, характеризуются наличием графита. Основа структуры серых чугунов ни чем не отличается от структуры сталей, т. е. может быть перлитной, перлито-ферритной и ферритной. Серые чугуны можно рассматривать как сталь с включениями графита. В зависимости от структуры основы различают перлитные, перлито-ферритные и ферритные чугуны.

Механические свойства серых чугунов в основном определяются формой и величиной графитовых включений. По форме графитовые включения бывают пластинчатыми (лепест-ковыми), хлопьевидными и шаровидными. Чугуны с хлопьевидной формой принято называть ковкими, а с шаровидной – высокопрочными.

Образование графитовых включений в той или иной форме зависит от многих факторов (ско-рости охлаждения, наличия некоторых примесей, применения модифицирования, термической обработки), которые в свою очередь оказывают влияние также на распад аустенита и образование определенной структуры основы.

По структуре основы эти чугуны делятся на: перлитные, перлито-ферритные, ферритные.

а (х340) б (х340) в (х450)

перлитные перлито-ферритные ферритные

Рисунок 27 – Микроструктура серых чугунов.

Ковкие чугуны получают из белых путем длительного отжига (томления). В результате такой термической обработки происходит распад цементита с образованием графита хлопьевидной формы. По структуре основы эти чугуны делятся на: перлитные, ферритные.

а (х200) б (х200)

Перлитные ферритные

Рисунок 28 – Микроструктура ковких чугунов.

Высокопрочный чугун получают путем модификации расплавленного чугуна перед разливкой магнием (0,5-1,0 %), в результате чего выделяющийся графит принимает шаровидную форму (см. рисунок 18).

Тема № 5. Стали.

Разряды.

1.Железоуглеродистые сплавы содержащие до 2,14% углерода называютсталью.

Для выплавки стали применяют передельные и специальные чугуны. Их получают восстановлением из природных руд железа с последующим насыщением его углеродом. Чугун выплавляют в высоких шахтных печах - домнах.

Все применяемые в промышленности стали принято разделять на сорта по тем или иным признакам: по способу производства, химическому составу и назначению.

По способу производства сталь разделяют на мартеновскую(основную и кислую), выплавляемую в мартеновских печах, бессемеровскую, томасовскую, получаемую в конверторах, и электросталь, выплавляемую в дуговых или высокочастотных электропечах.

В мартеновских печах сталь получается в больших количествах, хорошей плотности и однородности, невысокой стоимости. Но экономичнее технологический процесс выплавки стали в кислородных конверторах. Сталь вполне качественная, пригодна для всех отраслей машиностроения. Примеси серы и фосфора в этой стали ниже, чем в мартеновской.

Наилучшими качествами обладает электросталь. Она чище мартеновской по фосфору, сере, газам, а также по неметаллическим примесям. Электростали применяются для изготовления ответственных деталей.

В зависимости от условий и степени раскисления различают следующие виды сталей.

Сталь спокойной плавки при разливке в изложницы выделяет мало газов и не кипит. Она полностью раскислена (очищена от закиси железа) марганцем, кремнием и алюминием, спокойно затвердевает, слиток получается плотным с образованием в верхней части усадочной раковины.

Кипящая сталь в процессе заливки кипит, выделяя большое количество газов, в связи с тем, что сталь заливается в изложницы не полностью раскисленной и при понижении температуры часть углерода вступает в реакцию с оставшейся закисью железа. Весь углерод не успевает выделиться из затвердевающего металла, оставаясь в нем в виде газовых пузырей.

Кипящая сталь не образует усадочной раковины. Полученные газовые микропоры завариваются в слитке при последующей прокатке. Кипящая сталь хорошо сваривается и штампуется при обработке листового проката, но по качеству уступает спокойной стали.

Полуспокойные стали –представляют стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение. Кипящие стали при маркировке дополнительно обозначают «кп»,полуспокойную «пс» и спокойную «сп» или без обозначения.

По химическому составустали делятся углеродистые и легированные.

По назначениюстали разделяются на:

1.Конструкционные- применяются в основном для деталей машин и сооружений.

2. Инструментальная -применяются для изготовления инструмента.

3. Сталь с особыми физическими и химическими свойствами -применяется для изготовле-ния специальной аппаратуры и деталей машин (хромистые, никелевые, хромоникелевые).

По химическому составу конструкционная и инструментальная стали делятся на углеродистые и легированные. Сталь с особыми свойствами бывает только легированной.

2. Углеродистые стали. Сталь обыкновенного качества - наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей содержат больше серы и фосфора. Кроме того они отливаются в крупные слитки, вследствие чего в них значительно развита ликвация (неоднородность) и они нередко содержат большое количество неметаллических включений. Они используются для менее ответственного назначения.

Углеродистая конструкционная сталь может быть обыкновенного качества (ГОСТ 380-2005) и качественной (ГОСТ1050-88).

Сталь обыкновенного качества разделяется на три группы: группы А , группы Б и В.

К группе А относится сталь, которая регламентируется только механическими свойствами, данные о химическом составе не приводятся. Обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами 1,2,3… 6. Чем больше это число, тем больше содержание углерода, а, следовательно, выше прочность и ниже пластичность. К ним относятся следующие марки стали: Ст0, Ст1, Ст2,Ст3, Ст3кп, Ст4, Ст4кп, Ст5.

Стали группы А применяют для деталей, используемых без термической обработки или обработки давлением, поскольку их химический состав может сильно колебаться: для лент, листов, проволоки др.

Сталь группы Б регламентируется только химическим составом, перед маркой такой стали при выплавке в мартеновской печи ставят букву М, например МСт1, а при бессемеровском производстве - букву Б, например БСт3.

К ним относятся марки: БСт0, БСт1кп, БСт2кп, БСт2сп, БСт3кп, БСт3сп, БСт4кп, БСт4сп, БСт5пс, БС5сп, БС5Гпс, БС6пс, БСт6сп. Сталь группы Б применяется для листового проката: швеллеров, балок, уголков, труб и др.

Сталь группы Впредставляет стали повышенного качества, которые поставляют с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. В обозначении марки данной группы вводится буква В. Стали группы Ввыплавляют следующих марок: ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5. Состав данной стали соответствует аналогичной марке, из группы Б, а механические свойства – той же марке из группы А.

Стали группы Б и В применяют, когда сталь должна подвергаться горячей деформации или уп- рочняться термической обработкой, так как для определения режимов обработки необходимо знать химический состав стали. Стали группы В спокойные и полуспокойные применяют для изготовления сварных конструкций. Также они применяются для специализированного назначения: мосто- и судостроении, сельскохозяйственном машиностроении и т.д.

Качественную углеродистую конструкционную стальвыплавляют кислородно-конверторным способом в мартеновских и электропечах в зависимости от степени раскисления они могут быть спокойными или кипящими. Качественные стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении шихты и введения плавки и разливки. К сталям этой группы предъявляются более высокие требования относительно состава (ограничены пределы по содержанию углерода, меньшее содержание серы ≤ 0,04 % и фосфора ≤ 0,035- 0,04 %) количества неметаллических включений, макро – и микроструктуре.

Они разделяются на две группы: с нормальным содержанием марганца и с повышенным содержанием марганца. Сталь группы I применяют в виде прутков, поковок, листов и т.п. Такие стали маркируют цифрами 05, 08, 08кп (буквы «кп» означают кипящую сталь), 10, 20, 35 и т.д., показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. В машиностроении из нее изготавливают валы, зубчатые колеса, шпиндели, вилки переключения, болты и т. п. Химический состав углеродистой конструкционной стали группы I приведен в ГОСТ 1050-88 (05кп, 08кп, 10, 20, 35, 45, 50, 65).

Качественные углеродистые конструкционные стали группы II с содержанием марганца от 0,7-1,0 % маркируют следующим образом: 15Г, 20Г, 40Г, 45Г, 50Г, 65Г. Буква Г указывает на повышенное содержание марганца. Марганец повышает прокаливаемость деталей, что позволяет получать после закалки и высокого отпуска повышенную прочность, вязкость и износостойкость. Однако сталь имеет склонность к перегреву и хрупкость после отпуска.

Автоматная стальотносится к конструкционным углеродистым сталям. Она содержит повышенный процент серы (0,08-0,3 %) и фосфора (0,08-0,15 %). Автоматная сталь маркируется буквой А и цифрами, которые указывают на содержание углерода в сотых долях процента, например сталь марки А12, А20 и т.д. Для повышения производительности применяют стали с добавкой свинца 0,15-0,3 %, обозначаемые АС (АС14, АС35Г2). Свинец в процессе резания снижает коэффициент трения и усилия резания. Сталь обладает хорошей обрабатываемостью резанием. Используется для изготовления болтов, гаек с мелкой резьбой и винтов на станках - автоматах. Детали из автоматной стали подвергают химико-термической обработке - нитро-цементации, цианированию.

Углеродистая инструментальная сталь - делится на качественную марок У7, У8 и т.д. и высококачественную с повышенным содержанием кремния и пониженным содержанием серы и фосфора(0,15- 0,30 % Si; не более 0,020 % S; не более 0,030 % P).

Буква У в марках стали означает углеродистую, а число, стоящее за буквой, указывает на содержание углерода в десятых долях процента.Буквой А, стоящей после цифры маркируются высококачественные стали. Например, У7А, У8А, У12А и т.д.

Особенностью углеродистых сталей является их небольшая прокаливаемость. Инструменты - зубила, клейма, молотки т.д., подвергаемые в работе ударам, изготавливают из стали У7А, У7, У8. У8А. Высокоуглеродистые стали У9 , У9А, У10А, У12, У12А применяют для режущих ин-струментов - сверл, метчиков, фрез, разверток и т.д.

3. Легированные стали.Легированной сталью называют сталь, содержащую один или несколько легирующих элементов в различных комбинациях и количествах, изменяющих свойства этой стали и условия ее термической обработки. К легирующим элементам относятся хром, никель, титан, вольфрам, молибден, ванадий и др. Кроме того легирующими элементами могут быть кремний и марганец, если кремния в стали содержится не менее 0,8 %, а марганца - более 1 %.

Основной целью легирования стали является увеличение ее прокаливаемости. Высокие меха-нические свойства сталь получает после соответствующей термической обработки.

Маркировка легированных сталей. Легированные стали маркируют по буквенно –цифровой системе. Легирующие элементы обозначают русскими буквами, например хром - Х, никель – Н, марганец - Г, молибден - М, вольфрам - В, ванадий - Ф, алюминий - Ю, кремний - С, кобальт - К, титан - Т, бор - Р, и медь - Д.

Первые цифры в марках стали указывают на содержание углерода в сотых долях процента, а цифры, стоящие за буквой, на содержание легирующих элементов. Буква А в конце марки означает сталь с пониженным содержанием вредных примесей – серы и фосфора. Например, сталь 12ХН3А, расшифровывается так: 0,12 % углерода, около 1,0 % хрома, около 3,0 % никеля, буква А указывает на минимальное содержание серы и фосфора.

Если содержание легирующего компонента равно или меньше 1,0%, то цифра после буквы не ставиться.

Некоторые легированные стали обозначают буквами, стоящими впереди, Ш - шарикоподшипниковая, Р - быстрорежущая, Е - электротехническая.

Легированная конструкционная сталь.Из легированных конструкционных сталей изготавливают ответственные детали автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и т.д.

По сравнению с углеродистыми конструкционными сталями легированные конструкционные стали обладают более высокими прочностными характеристиками и прокаливаемостью на большую глубину. Химический состав наиболее распространенных легированных сталей приведен в ГОСТ 4543-71 (15Х, 40Х, 20ХГ, 14959-79 (50С2,60С2, 60СГ, 50ХГ, 50ХГФА) ГОСТ 801-78 (18ХНВА, ШХ6, ШХ9 ШХ15, ШХ15СГ).

Легированная инструментальная сталь.По сравнению с углеродистой инструментальной сталью легированная инструментальная сталь высокими сопротивлением и твердостью, а также прокаливаемостью на большую глубину. Химический состав легированной инструментальной стали приведен в ГОСТ 5950-2000 (В1, Х, ХГ, ХВГ, 9ХС, ХВ5, Х12Ф1, 5ХНМ, 5ХНТ, 3Х2В8). Инструмент, изготавливаемый из легированной инструментальной стали охлаждают в масле, что препятствует образованию трещин. Из стали В1 изготавливают сверла и метчики, из стали Х, ХГ и 9ХС - фрезы, сверла, плашки, калибры и штампы, деформирующие металл в холодном состоянии. Сталь ХВГ мало деформируется, поэтому из нее изготавливают шпоночные протяжки, развертки и калибры. Из стали Х6ВФ и Х12Ф1 изготавливают инструменты, которые должны иметь высокую твердость и повышенную износостойкость - накатные плашки, статоры гидронасосов, гибочные и обрезные штампы и т.д. Стали 5ХНВ, 5ХНМ, 5ХНТ обладают большой вязкостью и прокаливаемостью, поэтому их применяют для кузнечных молотовых штампов, на которых деформируется металл в горячем состоянии. Сталь 3Х2В8 весьма прочная и устойчивая против воздействия высоких температур, поэтому из нее изготавливают матрицы, пуансоны и пресс-формы для литья под давлением медных и алюминиевых сплавов.

Быстрорежущие стали по своему химическому составу являются высоколегированными. Они содержат вольфрам, хром, ванадий, молибден, кобальт. Быстрорежущие стали обладают высокими прочностью, твердостью и красностойкостью. Наиболее распространенной маркой быстрорежущей стали является сталь Р18, содержащая 0,7-0,8 % углерода, 17,5-19,0 % вольфрама, 3,8- 4,4 % хрома и 1,0-1,4 % ванадия. Из такой стали изготавливают червячные развертки, сверла, долбяки, протяжки и другой инструмент. В качестве заменителя стали Р18 применяют быстрорежущую сталь Р9.

К сталям с особыми физическими свойствамиотносятся: нержавеющие, кислото-, окалино- и износостойкие, жаропрочные, магнитные, немагнитные электротехнические и сплавы с высоким сопротивлением.

Разряд.

1.Влияние углерода.С увеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8 %С, состоит из одного перлита, а в стали, содержащей больше 0,8 % С, кроме перлита, имеется вторичный цементит, а если меньше 0,8 %С, то структура стали состоит из феррита и перлита (см. рисунок 14. Диаграмма Fe – C). Увеличение углерода в стали ведет к повышению прочности и понижению пластичности. Влияние углерода на механические свойства и структуру представлено на рисунке 29

Рисунок 29 – Влияние углерода на механические свойства стали

При малом содержании углерода сталь обладает низкой прочностью, высокими пластичностью, свариваемостью и деформацией в холодном состоянии (штампуется). При содержании углерода более 0,3 % сталь хорошо закаливается. С увеличением углерода в стали снижается плотность, растет электро-сопротивление и коэрцитивная сила и понижается теплопроводность, остаточная индукция магнитная проницаемость.

Влияние примесей. Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных, а иногда неизбежных примесей Мn, Si, S, P,O, N, H и др., которые оказывают влияние на ее свойства.

Влияние кремния и марганца.Содержание кремния в углеродистой стали в качестве примеси обычно не превышает 0,35-0,4 % и марганца 0,5- 0,8 %. Кремний и марганец пере-ходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Кремний и марганец раскисляют, т.е., соединяясь с кислородом закиси железа FeO, в виде окислов переходят в шлак. Эти процессы раскисления улучшают свойства стали.

Кремний (Si), остающийся после раскисления в твердом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести σт. Это снижает способность стали к вытяжке особенно к холодной высадке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки и высадки, содержание кремния должно быть сниженным.

Марганец (Мn) заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности и резко уменьшая красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Влияние серы (S). Сера является вредной примесью в стали. С железом она образует химическое соединение FeS, которое практически не растворимо в железе в твердом состоянии, но растворимо в жидком металле. Соединение FeS с железом образуют легкоплавкую эвтектику, с температурой плавления 988 °С. Кристаллизуясь из жидкости по окончании затвердевания, эвтектика преимущественно располагается по границам зерна. При нагревании стали до температуры прокатки или ковки (1000 – 1200 °С) эвтектика расплавляется, нарушается связь между зернами металла и вследствие этого при деформации стали возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкостью.

Марганец образует с серой тугоплавкое соединение MnS, практически исключает явление красноломкости.

Сернистые включения резко снижают механические свойства, особенно вязкость и пластичность (в поперечном направлении вытяжки при прокатке и ковке), а также предел выносливости. Эти включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

Поэтому содержание серы в стали строго ограничивают. В зависимости от качества стали оно не должно превышать 0,035-0,06 %. Для высококачественной стали сера не превышает 0,02-0,03 %, для стали обыкновенного качества допускается 0,03-0,04 %S.

Влияние фосфора (Р).Фосфор растворяется в феррите и аустените, а при высоком содержании образуется фосфид Fe₃P,содержащий 15,62 % Р.Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но сильно уменьшает пластичность и вязкость. Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали углерода. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и уменьшает работу развития трещины. Каждые 0,01 %Р повышает порог хладноломкости стали на 20-25 °С.

Кроме того, фосфор склонен к ликвации. Вследствие этого в серединных слоях слитка отдельные участки сильно обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость. В большинстве сталей фосфор является вредной примесью и в зависимости от качества стали его содержание допускается не более 0,025- 0,08 %.

Влияние азота, кислорода и водорода.Азот и кислород присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений (например, окислы FeO, SiO₂ , Al₂O₃, Fe₄N и др.), в виде твердого раствора или, находясь в свободном виде, располагаются в дефектных участках металла (раковины, трещины и т.д.). Примеси внедрения (азот, кислород), концентрируясь в зернограничных объемах и, образуя выделения нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды, частицы шлаков и т.п.), являются концент-раторами напряжений, могут в значительной мере понизить, если они присутствуют в повы-шенных количествах или располагаются в виде скоплений, предел выносливости и вязкость разрушения.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который сильно охрупчивает сталь. Поглащенный при выплавке стали водород не только охрупчивает сталь, но приводит к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов.Флокены представляют собой очень тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен - хлопьев серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства стали. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности. Водородное охрупчивание стали часто наблюдается при сварке. Оно проявляется в образовании холодных в наплавленном и основ-ном металле.

Нанесение на поверхность стальных изделий гальванических покрытий или травление в кислотах для очистки поверхности от окалины и загрязнений связано с опасностью насыщения поверхности водородом, что также вызывает охрупчивание. Если водород находится в поверхностном слое, то он может быть удален в результате нагрева при 150-180 °С, лучше всего в вакууме. Наводороживание и охрупчивание возможно и при работе стали в контакте с водородом, особенно при высоком давлении.

Наиболее вероятно хрупкость вызывается давлением молекулярного водорода, выделившегося в порах, трещинах и других несплошностях металла, а также в зоне концентрации дефектов строения, особенно в процессе пластического деформирования. Именно с влиянием водорода связано появление склонности к так называемому замедленному разрушению.

Применяемые в последние годы выплавка или разливка в вакууме значительно уменьшает содержание водорода в стали.

Высококачественныестали отличаются от качественных с тем же содержанием углерода, ограничением вредных примесей S и P. В высококачественных сталях допускается содержание фосфора не более 0,03 % иногда не более 0,025 %, содержание серы до 0,03 %.

Для сталей качественной и обычного качества допускается более высокое содержание серы -0,04-0,05 %.

Углеродистая инструментальная сталь делится на качественную марок У7, У8 и т.д. и высококачественную с повышенным содержанием кремния и пониженным содержанием серы и фосфора(0,15- 0,30% Si; не более 0,020 % S; не более 0,030 % P).

Высококачественные стали маркируются дополнительной буквой А после цифр, например У8А или для легированных конструкционных - 38ХА, 35Х2МА.

2. Классификация углеродистой стали приведена в 1-2 разряде.

Качественную углеродистую конструкционную стальв зависимости от содержания углерода классифицируют на низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,3 %, среднеуглеродистые с содержанием углерода 0,3- 0,5 %, высокоуглеродистые 0,5- 0,85%С. Низкоуглеродистые стали: 05, 08, 08кп, 10, 10кп.

Они обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью, поэтому используются в основном для холодной штамповки, особенно для вытяжки. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость, особенно способность принимать вытяжку.

Стали 15, 20, 25 применяют без термической обработки или в нормализованном виде. Стали поступают в виде проката, труб, листов, ленты и проволоки. Эти стали хорошо сваривается, часто используются для цементуемых деталей, работающих на износ и не испытывающих больших нагрузок. Предназначаются для менее ответственных деталей.

Среднеуглеродистые стали:30, 35, 40,45, 50. Эти стали применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалкидля самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Недостаток - прокаливаемость сталей невелика. Критический диаметр при закалке воде не превышает 10-12мм. Поэтому следует применять для небольших деталей или для более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости.

Высокоуглеродистые стали: 60, 65, 70, 75, 80, 85 – обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются после закалки и отпуска, нормализации и отпуска, поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения. Из сталей изготавливают пружины, рессоры, шпиндели, прокатные валки и т.д.

Качественные углеродистые стали с повышенным содержанием марганца 0,7-1,0 % (15Г, 25Г, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др.) применяют для тех же целей, что и аналогичные с нормальным содержанием марганца (0,25-0,7 %). Марганец повышает прокаливаемость, пределы прочности и текучести, но несколько снижает пластичность и вязкость.

По способу производства,(как указывалось выше) сталь разделяют на мартеновскую(основную и кислую), выплавляемую в мартеновских печах, бессемеровскую, томасовскую, получаемую в конверторах, и электросталь, выплавляемую в дуговых или высокочастотных электропечах.

При бессемеровском процессе выплавки в стали остается до 0,07-0,12 % Р (фосфора), то есть то количество, которое имел чугун, и до 0,06 % S.

В мартеновских печах удаляется большая часть фосфора, сталь получается в больших количествах, хорошей плотности и однородности, невысокой стоимости. Сталь, изготовленная в основной мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02-0,04 %) и серы 0,03- 0,05 %.

Но экономичнее технологический процесс выплавки стали в кислородных конверторах. Сталь вполне качественная, пригодна для всех отраслей машиностроения. Примеси серы и фосфора в этой стали ниже, чем в мартеновской.

Наилучшими качествами обладает электросталь. Она чище мартеновской по фосфору, сере (не более 0,02 %), газам, а также по неметаллическим примесям. Электростали применяются для изготовления ответственных деталей.

Разряд.

1. Легированной сталью называют сталь, содержащую помимо углерода и другие легирующие элементы. Сталь может содержать один или несколько легирующих элементов в различных комбинациях и количествах, изменяющих свойства этой стали и условия ее терми-ческой обработки.

К легирующим элементам относятся хром, никель, титан, вольфрам, молибден, ванадий и др. Кроме того легирующими элементами могут быть кремний и марганец, если кремния в стали содержится не менее 0,8 %, а марганца - более 1 %.

В зависимости от вводимых в сталь легирующих элементов они получают названия: содержащие хром называются хромистыми; хром и никель – хромоникелевыми; хром, марга-нец, кремний – хромомарганцевокремнистыми и т.д.

Основной целью легирования стали является увеличение ее прокаливаемости.

Влияние легирующих элементов на свойства стали. Легирующие элементы по- разному влияют на свойства стали. Их вводят в количествах, при которых наиболее полно проявляется положительное действие каждого элемента.

Углерод -наиболее сильно действующий элемент, содержащийся во всех марках стали. С увеличением содержания углерода значительно повышается твердость и понижается плас-тичность. При малом содержании углерода сталь обладает низкой прочностью, высокой пластичностью, свариваемостью и деформацией в холодном состоянии (штампуемостью), при содержании углерода более 0,3% сталь хорошо закаливается.

Хром -сильный карбидообразующий элемент, способствующий уменьшению зерна в стали при нагреве и повышающий твердость, прочность и прокаливаемость. Добавка хрома в количестве 5 % и выше значительно увеличивают коррозионную и кислотную стойкость. При содержании хрома более 12 % сталь становится нержавеющей и жаростойкой.

Никель- находится твердом состоянии с ферритом. Он повышает не только прочность стали, но и ее вязкость и пластичность даже при пониженных температурах. При нагреве противодействует росту зерен и увеличивает прокаливаемость. При содержании 24-26 % никеля сталь становится немагнитной и коррозионостойкой.

Молибдендобавляют в количестве 02,-0,5 %. Он повышает прочность, твердость, прокаливаемость и противодействует росту зерен при нагреве стали под ковку и термическую обработку. Молибден способствует увеличению жаростойкости и уменьшению склонности стали к хрупкости после отпуска.

Ванадийпрепятствует росту зерен аустенита, повышает твердость, пластичность и вязкость и является хорошим раскислителем стали. Ванадиевая сталь мало склонна к перегреву и при термической и химико-термической обработке ее можно нагревать в широком интервале температур.

Вольфрамобразует стойкие карбиды, растворяющиеся в аустените лишь при высоких температурах. Инструментальные быстрорежущие стали, содержащие до 18 % вольфрама, после термической обработки обладают высокой твердостью, износ<