Сталь, або криця — сплав заліза з вуглецем, який містить від 0.02 до 2,14 % вуглецю і домішок (кремній, марганець, сірка, фосфор та гази).
Сталь відрізняється від чавуну меншим вмістом вуглецю (до 2,14%) і звичайних домішок ( кремнію, марганцю, фосфору та сірки), а також підвищеними механічними властивостями.
Основні характеристики матеріалу змінюються залежно від його хімічного складу. Визначення сталі, як сплаву, що складається з двох компонентів, заліза і вуглецю, не можна назвати повним. У нього може входити, наприклад, хром - для надання жаропрочності, а нікель, щоб забезпечити стійкість до корозії. Обов'язкові компоненти матеріалу сприяють появі додаткових переваг. Так, залізо робить сплав ковким і легко деформованим за певних умов, а вуглець - міцність і твердість одночасно з крихкістю. Саме тому його частка так мала в загальній масі сталі. Визначення способу виробництва сплаву призвело до утримання в ньому марганцю в кількості 1% і кремнію - 0,4%. Існує цілий ряд домішок, які з'являються при плавленні металу і від яких намагаються позбутися. Поряд з фосфором і сірою, кисень і азот також погіршують властивості матеріалу, роблячи його менш міцним і змінюючи пластичність.
Процес отримання сталі з чавуну полягає у зменшенні вмісту цих домішок. Сталь виплавляють з переробного чавуну і сталевого брухту в конверторах, мартенівських та електричних печах.
При мартенівському способі отримують сталь вищої якості, ніж при конверторному. Застосування природного газу як палива підвищує продуктивність мартенівських печей на 2-4% і знижує витрати на паливо (5-6%). Якість сталі, що виплавляється, поліпшується, бо в природному газі, на відміну від мазуту, менше шкідливих домішок.
Досконалішим способом, порівняно з конверторним і мартенівським, є виплавка сталі в електропечах. У плавильному просторі електропечі підтримується висока температура (близько 2000°С), що дає можливість вводити у сталь тугоплавкі метали. Застосування розкислювачів дає змогу видаляти майже повністю фосфор і сірку, завдяки чому отримують сталь високої якості. Цим пояснюється застосування електроплавки. Шихта складається зі сталевого брухту, чавуну та спеціальних домішок. У виробництві сталі важливе значення має її розливання після плавлення. З конвертора чи плавильної печі сталь випускають у розливний ківш, а з нього розливають у спеціальні форми - виливниці, виготовлені з чавуну або сталі. У виливницях охолоджується розплавлений метал.
Залежно від способу виплавляння розрізняють два види сталі: спокійна і кипляча.
Спокійна сталь виділяє мало газів і не кипить, тому утворюється щільний злиток. У цьому разі сталь розливають, заповнюючи виливниці зверху.
Кипляча сталь під час розливання виділяє велику кількість газів і кипить. Для киплячої сталі застосовують сифонний спосіб розливання, при якому одночасно заповнюють кілька виливниць знизу. Виливниці без дна встановлені на чавунну основу. Сталь наливають у центральний ливник, звідки по каналах в основі вона надходить у виливниці. Кипляча сталь дешевша, але поступається спокійній сталі за якістю. Найбільш продуктивним і економним є спосіб безперервної розливки. З ковша через проміжний розливний пристрій розплавлена сталь надходить в охолоджуваний водою кристалізатор. У кристалізаторі сталь твердне й утворюється злиток. Злиток безперервно витягується вниз роликами, які обертаються. Злитки потрібної довжини відрізають за допомогою ацетиленокисневого різака, встановленого на візку. Візок через певний проміжок часу приєднують до злитка. Готові злитки відправляють на склад. При безперервному розливанні немає потреби у виливниці, і злитки виходять зручними для переробки і транспортування.
Залежно від хімічного складу сталь поділяється на вуглецеву і леговану.
Вуглецева сталь або нелегована сталь залізо, вуглець і невелику кількість домішок кремнію, марганцю, сірки та фосфору.
Застосування і розшифровка маркування, склад і властивості вуглецевої сталі
Основною областю застосування вуглецевої сталі є створення інструменту, з неї виготовляють несуі конструкції і елементи машинобудування. На сьогоднішній день це одна з найбільш затребуваних сталей, за своїми властивостями, за рахунок експлуатаційних і технічних властивостей, що визначають компонентами і співвідношенням до складу.
Склад
При плавці сталі використовують вуглець і додаткові елементи. Залежно до призначення до матеріалу, висувають певні вимоги: твердість. Пластичність, межа плинності і т.д. Коригувати ці параметри можливо за допомогою зміни відсотка вмісту вуглецю. Співвідношення вуглецю до загального обсягу є основною умовою поділу стали на види.Характерні якості і особливості описуються в нормативних документах.
Сталь вуглецева звичайної якості - ГОСТ 380-85.
Сталь вуглецева конструкційна – ГОСТ 380-88.
Сталь вуглецева інструментальна – ГОСТ 1435-54 и ГОСТ 5952-51.
Показник твердості визначається вмістом вуглецю. Чим більше відсоток вуглецю - тим міцніше виріб, але необхідно ще враховувати, той факт, що при цьому зростає крихкість. Залежно від цього показника, сталь поділяють на кілька видів:
Низьковуглецева сталь - відсоток вуглецю в складі сталі становить 0,25. Основною відмінністю низьковуглецевої сталі є - відносно легка деформація, як в холодному стані, так і під впливом високих температур.
Середньовуглецеві сталі - відсоток вуглецю від 0,3 до 0,6. Середньовуглецева сталь має достатню міцність, має високі показники пластичності і текучості, що важливо при обробці. Основною областю застосування даної сталі є елементи конструкцій, експлуатація яких мається на увазі нормативними умовами.
Високовуглецева сталь має високий відсоток вуглецю - від 0,6 до 1,4. З даної сталі виготовляють високоміцні інструменти та прилади для вимірювання.
Звичайної якості:
Це найпопулярніший вид сталі в даний час. Вона здійснюється у вигляді прокату - листів, прутів, швелерів і балок. Завдяки своїм властивостям може використовуватися в якості опорних конструкцій, елементів машинобудування. Для того щоб дізнатися властивості певного виду вуглецевої сталі звичайної якості, потрібно знати принцип її маркування. Позначення завжди має відповідати ГОСТу. У назві вказується вид металу - СТ. Потім йде цифровий номер, який визначає зміст перліту і вуглецю. Чим більше номер - тим міцніше виріб. Нумерація може варіюватися від 0 до 6.
Потім в назві вказується спосіб розкислення - СП - спокійна; ПС - полуспокойная; КП - кипляча.
Крім цього вуглецева сталь має поділ на три підвиди:
А - її хімічний склад не регламентується. Головним показником є механічні властивості. Вона не проходить попередню стадію обробки тиском. Чи не призначена для зварювання.
Б - її хімічний склад повинен відповідати нормативній документації. Вироби з цього матеріалу можуть піддаватися обробці - штампування, кування і т.д. Але при цьому можлива зміна механічних властивостей. Деякі сорти можна піддавати термічній дії.
Г - найбільш якісний вид матеріалу. Для цих марок характерні механічні властивості групи «А» і гарантований хімічний склад групи «Б». Конструкції можуть зварюватись між собою.
У маркуванні група «А» не вказується. Якщо ж сорт матеріалу означає групування «Б» або «В» - ці літери вказують на початку маркування. При використанні в складі марганцю з підвищеним вмістом в назві марки використовують букву «Г». Приклад: БСт3Гпс - сталь групи «Б», з вмістом вуглецю, відповідного позначення «6», з додаванням марганцю в напівспокійних стані.
Якісна:
При виготовленні цих сортів стали пред'являються підвищені вимоги, як до хімічним складом, так і до механічних властивостей. Крім цього регламентується вміст шкідливих компонентів.
Сірка - не більше 0,04%.
Фосфор - не більше 0,035%.
Дані сорти позначаються літерою «У». Наступні за нею цифри вказують% вміст вуглецю (в сотих частках відсотка). Такі марки стали використовуються для виготовлення інструменту, відповідальних елементів в машинобудуванні, а також при виробництві точних вимірювальних приладів.
У7 - застосовується для виробництва зубил, штампів, ковальського інструменту, молотів.
У8 і У8Г (з вмістом марганцю) - пробойники, ножі по металу, інструмент, призначений для обробки каменю.
У9 - інструмент для деревообробки, кернери, штемпеля.
У10 і У11 - мітчики, розгортки, плашки, полотна для ножівок. У12 і У13 - різці для обробки твердого металу, свердла.
Конструкційні сталі звичайної якості мають таке маркування: Ст0; Ст1; Ст2... до Ст7. Літери Ст. означають слово сталь, а цифри - порядковий номер, індекси кп, пс і сп - ступінь розкислення. Літери Б і В вказують на групу сталі. Група А не позначається. Чим більший номер, тим сталь міцніша.
Цифри в марці сталі не відповідають вмісту в ній вуглецю. У сталях цієї групи вуглецю не більш як 0,65% .
Якісні сталі виплавляють мартенівським способом, у конверторах та електропечах. Їх застосовують для більш важливих деталей. Якісні сталі маркують так: 05, 08, 10, 15... до 85.
Сталі марок 10-20 є киплячі і спокійні. До марки киплячої сталі додають літери «кп». Наприклад, сталь 08кп - кипляча. Двозначне число відповідає вмісту вуглецю в сотих частках процента.
Наприклад, сталь 15 містить 0,15% вуглецю. Сталі цієї групи бувають з підвищеним вмістом марганцю (15Г, 20 Г... до 70 Г). Група Б Сталь Номер марки Ступінь розкислення.
Автоматні сталі маркують - А12, А20 тощо (А-автоматна). Числа в марках означають вміст вуглецю в сотих процента. Ці сталі містять підвищену кількість фосфору і сірки, внаслідок чого стружка під час оброблення різанням виходить більш ламкою, сипкою, що полегшує обробку; вони добре обробляються на токарних верстатах-автоматах, але мають невисокі міцнісні характеристики і тому призначені для виготовлення болтів, гвинтів та ін. Застосування вуглецевих конструкційних сталей у будівництві надзвичайно широке: труби і з'єднувальні частини до них виготовляють із сталей Ст2, Ст4,10,15,20 та ін.; деталі засувок і вентилів відливають зі сталі Ст3; повітроводи - із листової сталі 08; металоконструкції автокранів - рами, деталі стріли, важелі керування - зі Ст3, колінчастий вал двигуна - зі Ст45. Для армування залізобетонних конструкцій застосовують сталеві дротики (арматуру) марок Ст3 і Ст5.
Інструментальні сталі поділяють на якісні та високоякісні, їх виплавляють у мартенівських або електричних печах і застосовують для виготовлення ріжучих, вимірювальних та інших інструментів і пристроїв. Інструментальні сталі умовно позначають літерою У і числом: У7, У8 і т.д. до У13. Літера У показує, що сталь вуглецева. Числа вказують на вміст вуглецю в десятих відсотка. Наприклад, інструментальна сталь У8 містить близько 0,8% вуглецю.
Інструментальні леговані сталі містять до 1,5% вуглецю і високий відсоток легуючих добавок. Серед цієї групи особливе місце займають сталі, здатні зберігати ріжучі властивості при великих швидкостях оброблення і температурі до 600-700° С. Такі сталі називаються швидкоріжучими . Основною легуючою домішкою в них є вольфрам.
Леговані інструментальні сталі застосовують для виготовлення ріжучого і вимірювального інструмента високої точності (мікрометрів, калібрів тощо). У марку легованої інструментальної сталі входять цифри перед літерами і літери. Якщо вміст вуглецю становить 1% або більше, то цифру перед літерами, як правило, не ставлять. Наприклад, сталь 9ХС (хромокремениста) містить 0,9% вуглецю, 0,95-1,25% хрому і 1,2-1,6% кремнію; сталь ХГ містить 1,2% вуглецю, 1,3% хрому і 0,6% марганцю.
Швидкоріжучі сталі позначають літерою Р і цифрами, які вказують на процентний вміст вольфраму. Поширеними марками швидкоріжучої сталі є Р9 (9% вольфраму) та Р18 (18% вольфраму). До високолегованих сталей належать нержавіючі, жароміцні, жаростійкі тощо. Вміст добавок у цих сталях, звичайно, більший 5%.
Нержавіючими називають сталі, які мають стійкість проти корозії в різних середовищах (на повітрі, серед їдких парів газів тощо). Нержавіючі сталі поділяються на хромисті та хромонікелеві.
Хромисті сталі містять менше 12% хрому, вони не ржавіють на повітрі і під дією хімічних речовин. Хромонікелеві нержавіючі сталі містять 17-20% хрому і 8% нікелю, стійкі до кислот і використовуються для виготовлення трубопроводів і арматури, які працюють в агресивних середовищах.
Жаростійкими називають сталі, що добре чинять опір окисленню при високих температурах. Наприклад, сталь Х28, яка містить близько 28% хрому, стійка до окислення (не утворює окалини) при нагріванні до 1100°С.
Властивості легованих сталей залежать від вмісту в них легуючих елементів.
Хром підвищує міцність і твердість сталі, стійкість її проти корозії при нормальній і підвищеній температурі. Вольфрам підвищує міцність сталі, покращує її ріжучі властивості при підвищеній температурі.
Марганець підвищує міцність і стійкість до зношення сталі. Нікель підвищує міцність,корозійну стійкість і опір електричному струму. 0,12% вуглецю 18% хрому 10% нікелю близько 1% титану 12Х18Н10Т
Кремній підвищує пружність сталі. З вмістом кремнію до 15-20% підвищується її кислотостійкість.
Титан збільшує жароміцність сталі, а також перешкоджає міжкристалічній корозії, тобто руйнуванню по межах зерен під дією агресивних середовищ. Тому титан вводять до складу нержавіючих сталей.
Молібден підвищує міцність і твердість при нормальній і підвищеній температурах, сталь легше обробляти і зварювати.
Ванадій підвищує твердість, пластичність і в'язкість сталі.
Кобальт підвищує міцність сталі при ударних навантаженнях, а також жароміцність.
Корозійностійкі, жаростійкі сталі.
Корозія металевих матеріалів – це руйнування їх під дією навколишнього середовища. За характером корозійних руйнувань виділяють суцільну корозію, поширену на всій поверхні виробу, і місцеву, що охоплює лише окремі її ділянки.
Суцільна корозія буває рівномірною, нерівномірною і вибірковою – залежно від того, чи з однаковою швидкістю вона розвивається по всій поверхні, чи руйнується переважно якась одна структурна складова металу.
Місцева корозія може поширюватись на межах зерен металу і через них, вздовж зварних швів і має вигляд крапок, плям, тріщин, раковин, спучень поверхні. Для оцінки ступеню корозійного руйнування ГОСТ 9908-85 пропонується використовувати такі показники, як втрата маси на одиницю площі поверхні, зміна геометричних розмірів за втратою маси та ступінь ураження поверхні. В окремих випадках для цієї оцінки використовують показник зміни фізико-механічних властивостей металу, наприклад його електропровідності. Корозія поділяється на окремі види ще й залежно від природи агресивного середовища, в якому вона протікає. Так, якщо руйнування відбувається в умовах атмосферного повітря, то корозія називається атмосферною. Під впливом продуктів життєдіяльності бактерій та інших організмів виникає біологічна корозія. Радіоактивне випромінювання викликає радіаційну корозію, гарячі гази в металургії — газову, ударна дія електроліту – кавітаційну, струми в землі поблизу ліній електропередачі та трамвайних колій – корозію блукаючими струмами тощо.
За типом корозійного процесу розрізняють хімічну та електрохімічну корозії.
Хімічна корозія – це руйнування металу під дією сухих газів і рідин-неелектролітів. У більшості випадків це сухе повітря, вуглекислий газ, суха водяна пара, нафтопродукти. При хімічній корозії метал віддає електрони агресивному середовищу і на його поверхні утворюються хімічні сполуки, найчастіше оксидні плівки. Поверхнева стійкість плівок оксидів різних металів неоднакова. Так, плівки оксидів алюмінію, хрому, нікелю міцні, вони щільно прилягають до поверхні виробів і захищають їх від подальшого руйнування. Плівки оксидів заліза, магнію, вольфраму неміцні, їх цілісність легко руйнується і тому вони не мають захисних властивостей.
Хімічна корозія в чистому вигляді спостерігається досить рідко. Прикладом її може бути поява окалини під час гарячої обробки металів. Металеві вироби захищають від хімічної корозії нанесенням захисних покриттів або ж виготовляючи корозієстійкі сплави та замінюючи некорозієстійкі матеріали корозієстійкими.
Електрохімічна корозія – це руйнування в електроліті одного з металів, які утворюють між собою гальванічну пару. Електролітами є розплави і розчини солей, кислот і лугів. Гальванічні пари утворюються в електролітах не лише між різнорідними металами, але й між окремими структурними складовими, наприклад кристалами одного й того ж сплаву, що відрізняються один від одного хімічним складом. При цьому на поверхні виробу виникає величезна кількість мікрогальванічних елементів. Іони більш активних складових переходять в електроліт, ці складові стають анодами і руйнуються в процесі корозії швидше. Наприклад, у литих високохромистих сталях на стиках зерен вміст хрому менший, ніж всередині. В електроліті між зернами утворюються мікрогальванічні пари і відбувається електрохімічна корозія, яка спричиняє руйнування меж між зернами сталі.
Сталь, оброблена гарячим способом, має волокнисту будову. Механічні властивості такої сталі вздовж волокон кращі, ніж властивості сталі упоперек волокон (подібно до того, як це спостерігається у дерева). Відмінність властивостей сталі вздовж і впоперек волокон є її недоліком.
Прокатування полягає в пропусканні металу в щілину між валками прокатного стану.
Продукція прокатних станів називається прокатом.
Якщо для отримання листового металу валки прокатного стану мають гладеньку бокову поверхню, то для виготовлення сортового прокату, що має різні профілі, на боковій поверхні валків повинні бути зроблені вирізи, які називають рівчаками. Наприклад для прокатування круглої сталі повинен мати профіль половини дуги кола; рівчак для одержання квадратної сталі повинен мати профіль половини квадрата тощо. Два рівчаки пари валків утворюють калібр. Щоб отримати той чи інший вид сортового прокату, нагріту заготовку пропускають у щілину між валками, які утворюють певні калібри.
Остаточну форму прокату одержують не відразу, а після декількох пропусків заготовки через валки з калібром, що зменшується.
Прокат поділяють на три основні групи: листовий, сортовий і трубний.
Усі групи прокату широко застосовують у будівництві.
Листову сталь використовують для виготовлення труб, котлів, водонагрівачів, фланців трубопроводів тощо. Труби йдуть для систем газопостачання і теплофікації. Волочіння полягає в протягуванні заготовки через отвір, переріз якого менший, ніж переріз заготовки. Заготовка при цьому обтискується і переріз зменшується. Щоб отримати потрібний розмір виробу, заготовку кілька разів пропускають через отвори перерізів, які зменшуються. Отвір у матриці (фільєрі), через який протягується заготовка, називається очком. Вставні фільєри роблять з твердого сплаву або загартованої сталі. Волочіння здійснюють за допомогою волочильних станків або ручних пристосувань. Шляхом волочіння виготовляють дріт і тонкостінні труби.
Способів виготовлення листової сталі 2: гарячий і холодний. При дотриманні ГОСТу по виробництву продукції готові вироби, як гарячого прокату, так і холоднокатані, мають високу міцність і стійкістю до зовнішніх впливів.
ГАРЯЧЕКАТАНИЙ ЛИСТ
Цей різновид металопродукції виробляється шляхом прокатки металозаготовки через прокатний верстат при підвищених температурах і подальшій гарячій обробці. Гарячий прокат підрозділяється на:
Тонкий – до 3,9 мм. Така продукція представлена в рулонах, якщо товщина листа не менше ніж 1,2 мм, і в листової варіації при товщині від 0,4 мм. До цієї групи продукції відноситься і конструкційний прокат.
Товстолистовий (4 – 160мм). Може бути в рулонах (1,2–12 мм) і листах (0,4–160 мм).
Гарячекатаний прокат представлений в двох групах – листи низьколеговані і конструкційні. Перші – прокачуються з низьковуглецевих сталевих сплавів і затребувані для створення зварних металоконструкцій. Їх прийнятна вартість стала приводом для широкого розповсюдження продукції в сфері легкої та важкої промисловості. З цього типу прокату виробляють невідповідальні деталі для різних сфер застосування, шовні трубопроводи, клепані конструкції.
Для виробництва відповідальних деталей застосовують конструкційну металопродукцію з легованої вуглецевої сталі.
Гарячекатані листи оптимальні для створення зварних конструкцій, що розміщуються під впливом факторів ззовні. Вони стійкі до температурного максимума і служать ідеальним матеріалом для виготовлення мангалів, сейфів, машинних деталей.
Серед найбільш вагомих переваг гарячекатаного листового прокату:
висока корозостійкість;
хороша зварюваність;
термостійкість;
простота обробки і експлуатації;
хороші технічні характеристики;
широкий асортимент.
Також гарячому листовому прокату властива висока якість поверхневого шару. Це відмінний вибір в співвідношенні ціна–якість.
ХОЛОДНОКАТАНИЙ ЛИСТОВИЙ ПРОКАТ: ОСОБЛИВОСТІ ТА СФЕРА ЗАСТОСУВАННЯ
Метод холодного прокату включає обробку пластичної стали на прокатному стані без нагріву заготовки. Результат – високоякісний лист з відмінними характеристиками поверхні. Товщина холоднокатаних листів представлена в діапазоні 0,35–5 мм. Такий прокат може бути різної щільності і твердості.
Основні переваги холоднокатаного листового прокату:
стійкість до впливу температур в процесі зварювання;
відмінні експлуатаційні характеристики;
відсутність необхідності додаткової обробки поверхні перед фарбуванням.
Холодний сталевий прокат застосовується для виробництва профнастилу, а також перфорованих, покрівельних оцинкованих листів.
Продукцію холодного прокату широко використовують для виробництва конструкцій, до яких пред’являються підвищені вимоги до міцності, точності, стійкості до деформацій.
Рифлений холоднокатаний прокат
Малюнок на поверхні листів може бути виконаний у вигляді ромбів або «сочевиці». При позначенні товщини листа розмір рифлення не враховується. Листи можуть бути з рифленою поверхнею тільки з одного боку і двосторонні (найчастіше застосовуються в декоративних цілях).
Сфера застосування рифлених листів:
виготовлення покриттів для підлоги, поверхні ступенів;
виробництво настилів для використання в умовах високої вологості;
створення панелей облицювання і решіток для вентиляційних каналів.
Прокат даного типу випускається в листах і рулонах.
Оцинкований холоднокатаний лист
Даний вид прокату відрізняється покриттям поверхні (однієї або обох) антикорозійним цинком. Випускається згідно ГОСТ 14819-80. Для виробництва використовується вуглецева сталь холодного прокату в рулонах.
Товщина оцинкованих листів варіюється від 0,5 до 2,5 мм. У більшості випадків даний матеріал використовується при проведенні покрівельних і облицювальних робіт, а також в медицині і харчовій промисловості.
Профільовані гофровані листи також відносяться до категорії холоднокатаної металопродукції. Для їх виробництва використовується високоякісна оцинкована сталь холодного прокату. Товщина листів – 0,4-0,75 мм. Гофро листи застосовуються для облицювання стін, створення жорсткого покрівельного настилу, внутрішніх перегородок, парканів. Також такий матеріал є складовою частиною сендвіч-панелей
Контрольні запитання
1. Які сплави називаються вуглецевими сталями?
2. Як впливає вуглець на механічні властивості сталей?
3. За якими ознаками класифікують вуглецеві сталі?
4. На які класи поділяють сталі за вмістом вуглецю?
5. Як класифікують сталі за вмістом розкислення?
6. На які класи поділяють сталі за призначенням?
7. Як маркують сталі вуглецеві конструкційні звичайної якості?
8. Як маркують сталі вуглецеві конструкційні якісні?
9. Як маркують сталі вуглецеві інструментальні?
10.Охарактеризуйте конструкційні сталі спеціального призначення - для залізничного транспорту.