Под металлургическими особенностями производства в настоящее время при классификации сталей подразумевают степень раскисления стали перед разливкой.
По степени раскисления (или раскисленности) стали подразделяют на кипящие, полуспокойные и спокойные. Критерием для указанного разделения сталей служит содержание в них кремния. Кипящей сталью называется не полностью раскисленная сталь.
Термин «кипящая» обусловлен выделением из жидкой стали до ее кристаллизации значительного количества пузырьков газа СО, что создает видимость кипения жидкости. В строгом физическом смысле это «псевдокипение», поскольку всплывающие пузырьки заполнены не парами железа, как основного компонента жидкой стали. Образование газа СО в разлитой стали обусловлено большим
количеством растворенного в ней кислорода, который продолжает окислять углерод:
[С] + [О] → СО ↑
Всплывающие пузырьки СОостаются внутри слитка, после кристаллизации становясь газовыми порами. Поры бесследно исчезают – завариваются – при последующей горячей обработке слитка давлением (прокатке, ковке) и не проявляют себя при эксплуатации изделий из кипящей стали в условиях статического нагружения при положительных температурах.
Последствия их существования в качестве «заваренных трещин» проявляются при ударных и циклических нагружениях в условиях низких температур как внезапное хрупкое или усталостное разрушение. Поэтому сталь, сваренную для производства изделий ответственного назначения, перед кристаллизацией необходимо «успокоить», или прервать реакцию. Это возможно, если в расплав добавить элемент-раскислитель, обладающий большим сродством к кислороду, чем углерод.
В качестве раскислителей используют следующие элементы (в порядке возрастания раскислительной способности) или их комбинации:
Mn Si Ti Al.
сродство к кислороду
В результате добавления раскислителей псевдокипение подавляется частично или полностью, что соответствует степени раскисления стали. В первом случае сталь называется полуспокойной, во втором – спокойной. Соответственно, в конце марки стали ставятся буквосочетания кп, пс и сп.
Наиболее распространенным раскислителем вследствие сочетания эффективности и дешевизны является кремний. Именно его применение делает сталь спокойной (табл. 1.4). Однако следует помнить, что кремний является наиболее эффективным упрочнителем стали (он входит в состав всех ответственных рессорно-пружинных сталей).
Остаточные количества кремния в раскисленной им стали делают ее непригодной для холодной глубокой вытяжки. Именно остаточное (от раскисления) количество кремния служит критерием для разделения сталей на кипящие, полуспокойные и спокойные (см. табл. 1.4).
Таблица 1.4
Состояние стали после разливки в зависимости от раскисления
| Состояние стали перед кристаллизацией | Раскислители | Содержание кремния после кристаллизации, мас.% | Условное качество стали (по возрастанию) | Условная стоимость стали (по возрастанию) |
| Кипящая | Mn | < 0,05 | ||
| Полуспокойная | Mn + Al | 0,05…0,14 | ||
| Спокойная | Mn+Al+Si | 0,15…0,30 |
5. По микроструктуре классификация сталей в значительной степени условна. Критерием для разделения на классы в данном случае являются особенности её строения в отожжённом (равновесном) и нормализованном состояниях. По структуре в равновесном состоянии, т.е. после медленного охлаждения на воздухе, все стали разделяют на пять классов:
1) доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит;
2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;
3) заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный цементит (вторичный);
4) аустенитные;
5) ферритные.
Углеродистые стали могут быть первых трёх классов, легированные – всех пяти. Стали аустенитного класса образуются при введении в углеродистые стали большого количества элементов Ni, Co или Mn, расширяющих g-область диаграммы «железо – углерод», а стали ферритного класса – при введении элементов Cr, Si, V, W и др., расширяющих a-область [4].
По структуре после нормализации, т.е. после охлаждения на воздухе образцов небольших сечений с температуры приблизительно 900°С, стали подразделяют на перлитный, бейнитный, мартенситный, ледебуритный, аустенитный и ферритный классы.
Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлаждённого аустенита. При охлаждении на воздухе в зависимости от степени переохлаждения они приобретают пластинчатую структуру перлита, сорбита или троостита, в которой могут присутствовать также избыточные феррит и карбиды (цементит вторичный). К этому классу относятся углеродистые и низколегированные стали, которые представляют собой большую группу дешевых, широко применяемых сталей.
В стали бейнитного класса структура формируется, так же как и в перлитных сталях при охлаждении на воздухе, но при значительно большей степени переохлаждения. В этом случае в интервале температур промежуточного превращения (несколько выше, чем температура начала мартенситного превращения) аустенит распадается на двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита, имеющую игольчатое строение.
Такая структура называется бейнитом или игольчатым трооститом. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход g®a происходит по мартенситному (сдвиговому) механизму. В результате бейнит, в отличие от перлита имеет более высокое содержание углерода в феррите. К этому классу относятся низко- или среднелегированые стали.
Стали мартенситного класса отличаются достаточно высокой устойчивостью переохлажденного аустенита и при охлаждении в соответствующей среде приобретают мартенситную пластинчатую структуру. Размер пластин мартенсита, имеющих в плоскости шлифа игольчатую форму, зависит от размера исходных зерен аустенита. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали.
В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами совместно с аустенитом. Поэтому по структуре эти стали могут быть отнесены к белым чугунам, но их причисляют все-таки к сталям с учетом меньшего, чем у чугунов, содержания углерода (< 2,14 мас.%) и возможности подвергать пластической деформации. К этому классу относят высокоуглеродистые (1,8 – 2,1 мас.%) среднелегированные стали.
Структурный класс аустенитных и ферритных сталей совпадает по классификации как в отожженном, так и нормализованном состояниях.
6. К традиционным способам упрочнения относят закалку с высоким отпуском (улучшение), цементацию и азотирование. Соответственно, различают стали улучшаемые, цементуемые и азотируемые. В последние три-четыре десятилетия появились стали с другими способами (механизмами) упрочнения – дисперсионно-твердеющие, мартенсито-стареющие и др.
7.Традиционный способ получения заготовок или деталей как классификационный критерий позволяет выделять стали для холодной штамповки (или глубокой вытяжки), стали повышенной обрабатываемости (автоматные ), а также иногда литейные.
Стали для холодной штамповки, производимые обычно в виде листа, должны иметь такие технологические свойства, как повышенную пластич-
ность и вязкость при невысокой прочности. Достигается это при весьма низком содержании углерода (не более 0,20 мас.%) и кремния (не более 0,10 мас.%). В связи с последним указанием понятно, что стали для холодной штамповки не должны раскисляться кремнием и, значит, будут разливаться как кипящие.
Сталь повышенной обрабатываемости выделена в самостоятельный класс сталей в конце 20-х г. ХХ в. в США как сталь, легко поддающаяся скоростной обработке на металлорежущих станках-автоматах. Легкость обработки (высокие скорости резания, меньший износ инструмента) обусловлена образованием при резании короткой, ломкой, легко отделяющейся стружки. Перечень классификационных признаков и соответствующих классов сталей представлен на рис. 1.1.
8. По прочности, оцениваемой временным сопротивлением (σв), все стали с некоторой условностью можно разделить на стали нормальной (средней) прочности (σв~1000МПа), повышенной прочности (σв~1500МПа), высокопрочные (σв~2000МПа) и сверхпрочные (σв>2000МПа).