Характеристика и классификация чугунов

Чугун

сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%. Наряду с углеродом в чугуне содержится кремний (Si), марганец (Mn), сера (S) и фосфор (Р). Содержание серы (S) и фосфора (Р) в чугуне больше, чем в стали. В специальные (легированные) чугуны вводят легирующие добавки - никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V), хром (Сr) и др.

Чугун делят:

по структуре - на белый, серый и ковкий;

по химическому составу - на легированный и нелегированный.

Белый чугун

это такой чугун, в котором большая часть углерода химически соединена с железом в виде цементита Fe3C. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и хрупкостью. Поэтому белый чугун также имеет в изломе светло-серый, почти белый цвет, очень тверд, не поддается механической обработке и сварке, поэтому ограниченно применяется в качестве конструкционного материала. Белые чугуны используются для получения ковких чугунов.

Серый чугун

это такой чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. Серый чугун мягок, хорошо обрабатывается режущим инструментом, в изломе имеет темно-серый цвет. Температура плавления серого чугуна 1100-1250°С.

Чем больше в чугуне углерода, тем ниже температура его плавления и выше жидкотекучесть.

Чугун является трудносвариваемым сплавом. Трудности при сварке чугуна обусловлены его химическим составом, структурой и механическими свойствами, при сварке чугуна необходимо учитывать следующие его свойства: жидкотекучесть, поэтому сварка выполняется только в нижнем положении; малая пластичность, характеризующаяся возникновением в процессе сварки значительных внутренних напряжений и закалочных структур, которые часто приводят к образованию трещин; интенсивное выгорание углерода, что приводит к пористости сварного шва; в расплавленном состоянии чугун окисляется с образованием тугоплавких оксидов, температура плавления которых выше, чем чугуна. Сварка чугуна применяется в основном для исправления литейных дефектов, при ремонте изношенных и поврежденных деталей в процессе эксплуатации и при изготовлении сварных конструкций.

 

 

Характеристика и классификация сталей

Сталь (от нем. Stahl)[1] — сплав (твёрдый раствор) железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали не более 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность итвёрдость, 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).

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей промышленности.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- 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.[2]

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[3] и легированные[4]; 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.

 

 

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей.

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

1) При повышении содержания углерода (С) в конструкционной стали повышается твердость, прочность, литейные свойства, снижается вязкость, обработка резаньем, пластичность, деформируемость, затрудняется свариваемость;

2) Марганец (Mn) - полезная примесь, вводится в сталь для раскисления, уменьшает влияние SiNO2 = 0,3..0,7%. Марганец увеличивает прокаливамость стали и уменьшает вредное влияние серы;

3) Кремний (Si - силициум) - полезная примесь, вводится в сталь для расширения. Кремний эффективно раскисляет сталь и способствует ее упрочнению;

4) Сера (S) - вредная примесь вызывает хрупкость при горячей обработке, располагается по границе зерен, но улучшает процесс резанья. (Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также придает стали красноломкость при прокатке и ковке. Повышенное содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления изделий неответственного назначения, т.к. сера улучшает обрабатываемость стали. Основной источник серы в стали - это исходное сырье, т.е. чугун.);

5) Фосфор (P) - вредная примесь, растворяется в феррите, вызывает хладноломкость. (Фосфор также снижает пластичность железа, т.к. резко отличается от него по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Основной источник фосфора в стали – это руда, из которой выплавлен исходный чугун.);

6) Кислород (О), водород (Н), азот (N) - вредные примеси, растворяются в феррите образуя оксиды, кислородные включения снижают прочность, повышенное содержание азота вызывает разрывы при штамповке металла, а водород приводит к снижению прочности. (Даже небольшую присутствие этих примесей оказывает резко отрицательное воздействие на свойства стали. Кислород и азот способствуют снижению вязкости и пластичности стали. Повышенное содержание водорода делает сталь хрупкой, а также приводит к образованию внутренних трещин – флокенов. Для выведения скрытых примесей используется метод вакуумирования.).

 

 

Легирующие элементы в стали

Азот (N)

Азот применяется в сталях в качестве заменителя углерода и никеля. Он значительно повышает коррозионную стойкость стали.

Ванадий (V)

Ванадий улучшает такие свойства стали, как твёрдость и прочность, а также значительно повышает её износостойкость. Ванадий присутствует в инструментальных и быстрорежущих сталях.

Вольфрам (W)

Вольфрам является металлом с самой высокой температурой плавления. Он используется во многих отраслях. Вольфрам, наравне с молибденом, является обязательным элементом для быстрорежущих сталей. Помимо устойчивости к высокой температуре, наличие вольфрама в стали, улучшает такие свойства, как износостойкость и твёрдость.

Кобальт (Co)

В небольшом количестве кобальт присутствует в твёрдых сплавах и быстрорежущих сталях. Он увеличивает твердость и прочность стали.

Кремний (Si)

В небольших количествах кремний не оказывает серьезного влияния на свойства стали. Однако, при повышении содержания кремния, повышаются упругость и коррозионная стойкость.

Марганец (Mn)

Марганец увеличивает твердость и устойчивость стали к износу. Однако его содержание в больших количествах повышает хрупкость.

Молибден (Mo)

Молибден представляет собой легирующую добавку, которая повышает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах. Также он делает состав стали более равномерным. Молибден является обязательным элементом в быстрорежущих сталях.

Никель (Ni)

Никель, так же как и азот повышает коррозионную стойкость стали. Кроме того, он незначительно повышает прочность.

Ниобий (Nb)

Ниобий является достаточно редкой легирующей добавкой. Он повышает износостойкость и коррозионную стойкость стали.

Сера (S)

Сера достаточно вредный элемент. Она понижает коррозионную стойкость стали и её механические свойства. По этим причинам содержание серы в сталях обычно ничтожно мало, однако сера может быть специально добавлена в сталь для того, чтобы, повысить её обрабатываемость.

Титан (Ti)

Обычно титан добавляют в сталь для повышения прочности, стойкости к коррозии и температурам. Также он способствует измельчению зерна и улучшает обрабатываемость.

Углерод (C)

Углерод является одним из основных элементов, которые определяют свойства стали. От количества углерода в стали зависят её твёрдость и прочность. Также он положительно влияет на стойкость (сохранность) режущей кромки, устойчивость к износу и истиранию. Из отрицательных сторон высокого содержания углерода стоит отметить повышение склонности стали к коррозии.

Фосфор (P)

Фосфор, так же, как и сера, является вредной примесью. Он снижает механические свойства стали и повышает её хрупкость. По возможности, фосфор стараются полностью удалять из стали.

Хром (Cr)

Хром увеличивает стойкость стали к коррозии и износу. Сталь считается нержавеющей, если содержание хрома в ней больше или равно 14%. Правда, справедливости ради, стоит отметить, что сталь даже с высоким (порядка 17-19%) содержанием хрома, при определённых условиях, всё же подвержена коррозии. Также высокое содержание хрома приводит к повышению хрупкости и ударной вязкости стали.

 

 

Вредные примеси в стали

Основные вредные примеси - сера и фосфор

Так же к вредным примесям относятся газы (азот, кислород, водород).

Сера вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным сырьём чугуном. сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS сульфид железа. при взаимодействием с железом образуется эвтектика (Fe + FeS) с температурой плавления 9880 С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 9000 С ста- ль становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение Mns плавится при 16200 С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Содержание серы в сталях допускается не более 0.06%.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, используемым также для выплавки стали. До 1.2% фосфор растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образоваться участки, богатые фосфором.

Расположенный вблизи границ фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние (хладноломкость). Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0.050%.

Скрытые примеси: Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавки. В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается 10-2 - 10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

 

Конструкционные стали

Конструкцио́нная сталь — сталь, которая применяется для изготовления различных деталей,механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали подразделяются на несколько подгрупп.

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесейфосфора (P) и серы (S). Фосфор — придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость. Содержание вредных примесей в стали:

Обыкновенного качества — P и S — до 0.05 % (маркировка Ст).

Качественная — P и S — до 0.035 % (маркировка Сталь).

Высококачественная — P и S — до 0.025 % (маркировка А в конце марки).

Особовысококачественная — Р и S — до 0.015 % (маркировка Ш в конце марки).

По степени раскисления

Степень раскисления определяется содержанием кремния (Si) в этой стали. По степени раскисления углеродистые стали обыкновенного качества делятся на:

спокойные (СП) — не менее 0,12% (Si)

полуспокойные (ПС) — 0.07-0.12 % (Si)

кипящие (КП) — не более 0.07 % (Si)

Маркировка

Основные марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества:

Ст1кп2; БСт2пс; ВСт3Гпс; Ст4-2; … ВСт6сп3.

Буква перед маркой показывает группу стали. Сталь группы А — буквой не обозначается.

Ст — показывает, что сталь обыкновенного качества.

Первая цифра — номер по ГОСТу (от 0 до 6).

Буква Г после первой цифры — повышенное содержание марганца (Mn)-(служит для повышения прокаливаемости стали).

сп; пс; кп — степень раскисления стали (Для стали группы А отсутствие обозначения подразумевает "сп").

Вторая цифра — номер категории стали (от 1 до 6 — основные механические свойства). Сталь 1-й категории цифрой не обозначается.

Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали.

Применение

Ст1; Ст2 — проволока, гвозди, заклёпки.

Ст3; Ст4 — крепёжные детали, фасонный прокат.

Ст5; Ст6 — слабонагруженные валы, оси.