Углеродистые стали

       Содержание:

       Введение

       Наукой, устанавливающей связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающей закономерности их изменений при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях называется металловедением. Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называются черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными. Наибольшее применение нашли черные металлы.

       В конце XIX и начале XX века основными конструктивными материалами являлись металлические материалы (стали, чугуны, сплавы на основе алюминия и меди). В последние десятилетия материаловедческая наука была связана не только с совершенствованием традиционных металлических материалов, но и с созданием принципиально новых классов конструкционных материалов.

       Основной  продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90% изготавливается  углеродистой стали и только 10% легированной. Таким образом, основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь. Это связано с тем, что они обеспечивают удовлетворительное сочетание эксплуатационных свойств с хорошей технологичностью, т.е. относительно малыми затратами при обработке давлением, резанием и сварке. Кроме того, эти стали относительно дешевле.

       Таким образом, целью данной работы является изучение и краткое изложение  полученной информации о углеродистых сталях, их свойствах, способах производства и их применении в быту человека. Задачами являются поиск и изучение литературных источников по теме «Углеродистые стали», изучение графиков и таблиц.   

       Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

        Углеродистая сталь промышленного  производства – сложный по химическому  составу сплав. Кроме основы –  железа, содержание которого может колебаться в пределах 97,0 – 99,5%, в ней имеется много элементов (примесей), наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными обстоятельствами (хром, никель, медь и др.). В зависимости от способа выплавки стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей.

       Углерод же вводится в простую углеродистую сталь специально. Он сильно влияет на свойство стали даже при незначительном изменении его содержания. С увеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8% углерода, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8% углерода, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8%, то структура стали состоит из феррита и перлита. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Существенно и влияние углерода на вязкие свойства, увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т.е. при температурах выше порога хладноломкости).

       Марганец, кремний, фосфор, сера, водород, азот, кислород – постоянные примеси в том  или ином количестве присутствующие в технических сортах стали и  влияющие на ее свойства.

       Марганец  вводится в любую сталь для  раскисления, т.е. для устранения вредных  примесей закиси железа. Он также устраняет  вредные сернистые соединения железа, растворяется в феррите и цементите. Марганец повышает прочность в горячекатаных изделиях. Т.к. содержание марганца во всех сталях примерно одинаково, его влияние на сталь разного состава остается примерно постоянным.

       Кремний, как и марганец, раскисляет сталь. Он полностью растворяется в феррите, кроме той части, которая в  виде окиси кремния не успела всплыть  в шлак и осталась в металле  в виде силикатных включений.

       Руды  железа, а также топливо и флюсы  содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той  или иной степени и затем переходит  в сталь. При выплавке стали в  основных мартеновских печах из металла  удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавляемая в основной мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02–0,04%), а в электропечи менее 0,02%. Более  высокое содержание фосфора повышает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладноломкость стали. Но в отдельных случаях фосфор желателен, т.к. он облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом.

       Сера  попадает в металл из руд, а также  из печных газов – продукт горения  топлива. В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электронной печи сера удаляется из стали. Обычно содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02–0,03%. Для стали обычного качества допускают более высокое содержание серы: 0,03–0,04%. Обработкой жидкого металла синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0,005%. Сера нерастворима в железе и любое ее количество образует с железом сернистое соединение – сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующейся при 988˚C. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800˚C и выше, т.е. в районе температур красного каления. Серу считают вредной примесью в стали, но, как и фосфор, она облегчает обрабатываемость резаньем.

       Водород, азот и кислород содержатся в стали  в небольших количествах, зависящих  от способа производства. Содержания этих элементов в стали определяют, расплавляя в вакууме пробу металла  и измеряя количество газов, выделившихся из жидкого металла (Таблица № 1).

       Таблица № 1

       Если  водорода в металле много, то это  может привести к чрезвычайно  опасным внутренним надрывам в металле  – флокенам. Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла. Т.к. содержание этих газов невелико, то их влияние на многие другие свойства незаметно. Однако они сильно влияют на вязкие свойства, уменьшают ударную вязкость и резко повышают порог хладноломкости.  
 
 

       Способы производства

       В металлургии применяют различные  способы производства стали. Как  известно сталь производят (выплавляют) в различных печах. В соответствие с этим сталь подразделяют на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь. Самый прогрессивный способ получения стали – конверторный (продолжительность плавки – 30–60 мин.). Длительность мартеновской же плавки до 11 часов.

       В бессемеровском конверторе жидкий чугун  продувают воздухом, кислород воздуха соединяется с примесями в чугуне, в том числе с углеродом, и чугун превращается в сталь. Этот способ очень производителен, но при нем сера и фосфор не удаляются в достаточной степени (Таблица № 2), а металл насыщается газами, особенно азотом. Бессемеровский металл вследствие повышенного содержания газа, в первую очередь азота, отличается от мартеновской большей прочностью, но меньшей пластичностью, склонностью к старению, большей загрязненностью неметаллическими включениями.

       Кислородно-конверторный способ отличается тем, что вместо воздуха  используют технически чистый кислород с очень малым загрязнением азотом. В результате этого содержание азота  в металле будет низким. Такой  металл называется конверторным, и  по свойствам он практически не отличается от мартеновского.

       При конверторном и мартеновском способах производства подбором соответствующих шлаков и режимов ведения плавки можно удалить в значительной степени серу и частично фосфор. В зависимости от состава шлаков (основных (CaO и MgO) и кислых (SiO₂) окислов) футеровка печи должна быть или основной (магнезит или хромомагнезит) или кислой (динас), чтобы избежать реакции между футеровкой и шлаком. Если шлак имеет основную реакцию, т.е. в избытке имеются окислы CaO и MgO, то он удаляет из металла большую часть фосфора и часть серы. Значит, при сравнительно не очень чистой шихте металл в основной мартеновской печи получается достаточно чистым по сере и фосфору, хотя и более насыщенным кислородом. При кислом процессе в шлаке имеется избыток кремнистая кислота SiO₂, при наличии которой сера и фосфор из металла не удаляются, но насыщение металла кислородом происходит в меньшей степени. Поэтому для кислого мартеновского процесса требуются чистые по сере и фосфору исходные материалы, и если это обеспечено, то металл получается лучшего качества, т.к. содержит меньше кислорода.

       Удаление  из металлов серы, фосфора и кислорода  достигается в наибольшей степени  в электропечах (дуговых или индукционных). Будучи более дорогой, электросталь является и более качественной. Т.к. практически полное отсутствие газов  и связанное с этим улучшение  свойств достигаются при плавке в электрических индукционных печах  в вакууме, то стали и сплавы для  наиболее ответственных назначений производят этим способом. Установки  для вакуум-плавки очень сложны. Практически такие же результаты по содержанию газов и наличию неметаллических включений имеет сталь, выплавленная в обычных условиях, но затем помещенная в вакуум. Этот способ дешевле, чем выплавка в вакууме.

       Таблица № 2