Стали для строительных металлоконструкций (стр. 1 )

Классификации сталей

Чтобы разобраться во всем многообразии марок, металлурги применяют несколько классификаций:

Стали классифицируют:

• по химическому составу;
• по структуре;
• по назначению;
• по качеству;
• по степени раскисления.

Существуют и другие классификации, но их применение ограничивается научными и узкоспециальными областями применения.

Классификация по химическому составу

По химическому составу классификацию проводя, подразделяя на: углеродистые и легированные стали, которые, в свою очередь, подразделяются на:

Содержание углерода не влияет на степень легирования, Если доля Mn превышает 1%, а Si- 0,9%, они также признаются легирующими добавками

Классификация по структуре

Структура стали, кроме ее химического состава, зависит от многих факторов, влиявших на нее на этапах отливки и термической обработки. Классификация по структуре после процедуры отжига, во время которого заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи, следующая:

• доэвтектоидные – с избыточными ферритовыми включениями;
• эвтектоидные – ферриты замещаются перлитами;
• заэвтектоидные – с включениями вторичных карбидов;
• ледебуритные – с включениями первичных карбидов;
• аустенитные;
• ферритные.

Микроструктура ледебуритной стали

Эвтектоидная сталь и ее микроструктура

После проведения процедуры нормализации, заключающейся в нагревании до температуры пластичности и остывании на открытом воздухе, классификация различает такие группы, как:

• перлитные;
• аустенитные;
• ферритные.

Микроструктура перлита

Классификация по степени раскисления

Процесс раскисления приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Классификация предусматривает такие классы, как:

• спокойные (сп);
• полуспокойные (пс);
• кипящие (кп).

Основными раскислительными добавками служат Mn, Al, Si.

Классификация сталей по степени раскисления

Микроструктура

В нормализованном состоянии стали бывают:

• перлитные — характеризуются низким содержанием элементов легирования и имеют после нормализации структуру: перлит, перлит + феррит, перлит + заэвтектоидный карбид;
• мартенситные — имеют пониженную критическую скорость закалки и достаточно высокое содержание легирующих элементов;
• аустенитные — повышенное содержание легирующих элементов, под влиянием которых достигается структура: аустенит, аустенит + карбид.

Классификация углеродистых сталей в отожженном состоянии:

• доэвтектоидная применяется, например, для штампов горячего деформирования;
• заэвтектоидная имеет структуру, состоящую из перлита и цементита, обычно используется для изготовления инструмента;
• карбидная (ледебуритная) — например, быстрорежущая сталь;
• ферритная — нержавеющая, жароупорная, жаропрочная, высокохромистая стали.

Классификация стали по содержанию примесей

Кроме классификации по содержанию углерода и по степени раскисления, применяется классификация по качеству, определяемому методом производства и содержанием вредных примесей, прежде всего, серы и фосфора. Классификация сталей по качеству:

В некоторых классификациях особовысококачественные включают в состав высококачественных.

Обыкновенного качества

Большую часть рядовых сталей составляют углеродистые сплавы (С < 0,6%) Их производят мартеновским способом или конвертерным с использованием кислорода. Эти виды стали предназначены для самых массовых применений, недороги в производстве, хорошо поддаются обработке, но и не обладают особой прочностью или износостойкостью.

Качественные

К качественным относятся как углеродистые, так и легированные. Также производятся мартеновским или конвертерным способом с кислородным дутьем, но к составу сырья предъявляются намного более строгие требования, чем в случае рядовых. Также строже требования к соблюдению параметров плавки и розлива. Такие группы сталей стоят дороже и применяются для более ответственных деталей, работающих в условиях серьезных нагрузок.

Классификация сталей по качеству

Высококачественные

Эта группа производится более совершенными с точки зрения технологии способами, такими, как выплавка в электропечах. Особенности технологии производства позволяют добиться особо низкого содержания вредных примесей неметаллов и газовых включений, что гарантирует высокие механические свойства. Такие стали используются в особо ответственных узлах, а стоимость их в несколько раз выше, чем обычных.

Высокопрочная сталь

Особовысококачественные

Они завершают классификацию сталей по качеству. Их производят, переплавляя электрошлаковым способом, что дает возможность в несколько раз снизить содержание примесей. Некоторые марки по цене приближаются к драгоценным металлам, и применяют такие легированные стали в уникальных случаях — в деталях атомных реакторов, криогенных установках, оборонной и аэрокосмической отрасли и некоторых других.

Раскисление

Также существует классификация сталей в зависимости от степени раскисления, то есть от того, какое количество кислорода было удалено в процессе изготовления. Исходя из этого параметра, стали бывают:

• кипящие — мало раскисленные, насыщенные кислородом;
• спокойные — совершенно раскисленные;
• полуспокойные — стали, в которых кислород удален частично.

Для раскисления малоуглеродистых сталей применяют алюминий, марганец и кремний. Кипящую сталь обычно раскисляют при помощи ферромарганца в полуспокойную, кроме этого, добавляют небольшое количество ферросилиция, а спокойную, кроме предыдущих компонентов, обрабатывают алюминием и силикомарганцем.

Классификация стали по назначению

Следующий вид классификации сталей — по назначению:

• конструкционные;
• инструментальные;
• с особыми физико-химическими характеристиками.

Эта классификация в достаточной степени условна, в одной группе могут находиться десятки марок, а в другой — одна-две.

Классификация сталей по назначению

К тому же многие марки по своим механическим свойствам применимы и для смежных назначений. При выборе марки для конкретной конструкции или детали дизайнеры и технологи учитывают, кроме формального назначения, еще множество факторов, таких, как цена, обрабатываемость, совместимость с другими деталями по коэффициенту теплового расширения и других. Иногда конструктор применяет марку, заведомо превосходящую по своим параметрам и стоимости простую конструкционную марку, вполне подходящую для данной детали. Это допустимо в условиях уникального производства или особо малых серий, высоких транспортных расходах, и ряде других случаев. Любое такое решение должно быть оправдано с финансовой точки зрения.

Конструкционные

Конструкционные стали обыкновенного качества представляют собой одну из самых обширных групп.

Конструкционная сталь

Классификация предусматривает:

• строительные;
• холодной штамповки;
• цементируемые;
• улучшаемые;
• высокопрочные;
• пружинно-рессорные;
• подшипниковые;
• автоматные;
• коррозионностойкие;
• износостойкие;
• жаропрочные и жаростойкие.

Строительные

Сюда входит большое количество марок рядовых углеродистых и сплавов низкого легирования. Из таких материалов создают сложные пространственные конструкции, нагрузка в которых равномерно распределяется между всеми элементами. К каждому из них не предъявляется особых требований, кроме хорошей свариваемости.

Для холодной штамповки

В ходе холодной штамповки форма заготовки и ее размеры существенно меняются, поэтому к этой группе низкоуглеродистых качественных сплавов основное требование другое — высокая пластичность и стойкость на разрыв.

Цементируемые

Эта группа используется для производства узлов и деталей, подверженных трению и переменным периодическим нагрузкам. Процедура цементации служит для повышения стойкости поверхности к износу. В нее входят низкоуглеродистые (0,1-0,3%) и часть легированных сплавов.

Изделия из цементируемой стали

Улучшаемые

Эти марки предназначены для специальных видов термообработки, таких, как закалка и отпуск, применяемых для улучшения прочностных и других механических характеристик материала. В группу входят как среднеуглеродистые, так и хромистые, в том числе с присадками бора, марганца, никеля и молибдена.

Высокопрочные

Для высокопрочных среднеуглеродистых высоколегированных сплавов специально подбирается состав и соотношение присадок, а также специфические программы термообработки. В результате металлурги достигают прочностных характеристик, в два и более раза превосходящих параметры конструкционных марок. Применяются в особо ответственных узлах.

Пружинные

Главная особенность пружинно — рессорных марок — это способность к многократным упругим деформациям без накопления эффекта усталости. Очень широко применяются на транспорте и в машиностроении, везде, где требуется амортизация, гашение колебаний или обеспечение возврата частей механизма в исходное положение после выполнения рабочего движения. Для повышения предела упругости углеродистые сплавы легируются кремнием, марганцем, бором и другими элементами.

Пружинная сталь

Подшипниковые

Чтобы обеспечить требуемый ресурс эксплуатации двигателей, станков и других механизмов, использующих подшипники, изделия из сплавов этой группы должны быть высокопрочными, износостойким и выносливыми. Должны быть минимизированы посторонние включения, неоднородности, все виды пор. Содержат около одного процента углерода и 0,8-1,5% хрома, подвергаются специальному уплотнению и термообработке

Автоматные

Главный параметр для сплавов этой группы — высокая обрабатываемость, образование легко отламывающейся короткой стружки и пониженное трение меду деталью и инструментом. Их применяют для производства массовых серий крепежных компонентов на автоматизированных производственных комплексах. В состав добавляют серу, свинец, селен и теллур. Минусом становится сниженная пластичность материала.

Износостойкие

Путем добавления в сплав больших количеств марганца получают износостойкие марки стали. Их назначение — производство узлов, подверженных сильному трению, в том числе и абразивному, большим статическим и динамическим нагрузкам. Это элементы стрелок на рельсовом пути, горного оборудования, ковшей погрузчиков, гусениц.

Заслонка из износостойкой стали

Коррозионностойкие нержавеющие

Эти низкоуглеродистые сплавы подвергают сильному легированию хромом и марганцем. При кристаллизации хром формирует тонкий поверхностный слой окислов, защищающий деталь от воздействия химически активных сред. Такие сплавы могут эксплуатировать как в слабоагрессивных (вода, пар), так и высоко агрессивных средах (растворы кислот, щелочей, морская вода) при температурах до 60 °С

Внутри коррозионностойкой группы есть своя классификация

• Коррозионностойкие. Из них делают валы, пружины, клапаны, турбинные лопатки, выдерживающие высокие нагрузки и до 600 °С.
• Жаростойкие. Предназначены для работы в условиях высоких температур (до 1200 °С) при ограниченных нагрузках.
• Жаропрочные. Малоуглеродистые высоколегированные никелем, кремнием и другими присадками сплавы могут работать в условиях как высоких температур (до 75% от температуры плавления), так и высоких нагрузок.
• Криогенные. Сохраняют упругость и вязкость в условиях низких и особо низких температур (до -200 °С). Применяются для изготовления комплектующих промышленных и научных холодильных установок.

По своим свойствам эти материалы значительно отличаются от широко известно пищевой нержавейки, из которой делают посуду и кухонное оборудование.

Стали с особенными химическими и физическими свойствами

Кроме всех вышеперечисленных, существуют также марки сталей с особыми свойствами:

• электротехническая сталь — сплав железа и кремния, иногда легированный алюминием; применяется при производстве магнитопроводов разнообразного электротехнического оборудования;
• суперинвар — сплав железа, никеля и кобальта, применяемый при изготовлении высокоточного оборудования;
• жаростойкая — обладает повышенной стойкостью против разрушения при температурах от 900 °C, легируется алюминием, кремнием, никелем;
• жаропрочная — применяется для изготовления деталей газотурбинных установок, такие стали призваны работать в нагруженном состоянии при высокой температуре в течение некоторого времени.

Инструментальные стали

К материалам из большой и разнообразной группы инструментальных марок предъявляются специфические требования, связанные с особенностями применения производимых из них изделий. Внутри группы также есть свои подгруппы. Основные – это сплавы для:

• режущих инструментов;
• измерительных инструментов;
• штамповые;
• валковые.

Для режущих инструментов

Главное требование к сплавам этой группы — способность сохранять заданную твердость, прочность и термостойкость при длительных механических и термических нагрузках.

Инструмент из инструментальной стали для режущих инструментов

Такие сплавы отличаются весьма высокой стоимостью, поэтому режущий инструмент, как правило, не делают целиком из инструментальных материалов, а используют режущие пластины или поверхности другой формы, вплавляемые или закрепляемые на основе, сделанной из конструкционных марок. Это позволяет существенно снизить стоимость и продлить срок службы инструмента

Группа также подразделяется на:

• Углеродистые инструментальные сплавы. В их состав входит от 0,5 до 1,3% углерода. Применяется для обычного режущего инструмента массового применения.
• Легированные инструментальные. Для повышения прочности и теплостойкости (до 300 °С) применяют легирующие добавки – хром, ванадий и другие от 1 до 3%. Из таких материалов делают сверла, фрезы и протяжки.
• Быстрорежущие. Применяются для высокоэффективного прогрессивного инструмента, обладающего высокой теплостойкостью — до 660 °С.

Высокая стоимость прогрессивного инструмента с лихвой окупается в общем случае повышением производительности оборудования, сокращением износа станков в расчете на одно изделие, снижением трудоемкости и повышением темпа выпуска изделий. Экономический эффект зависит от размера серии.

Стали для измерительных инструментов

Основное требование к материалам этой группы — это стабильность формы и размеров в процессе измерения и хранения.

Изделие из стали для измерительных инструментов

Второе по значимости свойство — это исключительное качество поверхности, хорошая обрабатываемость и особенно шлифуемость. Разумеется, требования к износостойкости и твердости также остаются в силе. Применяют как недорогие углеродистые славы, так и легированные хромом, никелем и другими присадками. Изделия подвергают цементации и закалке для улучшения качества поверхности и повышения износостойкости. В последнее время, с развитием передовых бесконтактных способов и средств измерения, таких, как лазерные, ультразвуковые и программно-аппаратное интегрированные в обрабатывающие центры, потребность в сплавах этой группы несколько снизилась. Но они по-прежнему востребованы как на опытных производствах, так и при изготовлении и поверке тех самых прогрессивных средств измерения.

Штамповые стали

Сплавы этой группы должны отличаться особой твердостью, прокаливаемостью и термостойкостью. Главное же требование к ним — высокая износостойкость и постоянство формы изделия. Сюда входят сплавы:

• Холодной штамповки. К основным требованиям — твердости, износостойкости, стабильности формы и размеров — добавляются термостойкость и высокая вязкость, поскольку изделия работают в условиях высокого давления и ударов. Изготавливаются на основе хромосодержащих лигатур с добавлением других элементов. Многие сорта взаимозаменяемы с быстрорежущими.
• Горячей штамповки. К требованиям для сплавов холодной штамповки добавляется повышенная прочность и вязкость при сильном нагревании (до 500 °С) и высокая теплопроводность для избегания перегрева. Легируются высокими содержаниями хрома, ванадия, никеля и др.

Валковые стали

Применяются для изготовления разнообразных валков прокатных станов, ножей для резки металла, матриц и пуансонов. Применяются также для изготовления уникальных высоконагруженных узлов бумагоделательного и горного оборудования.

Валковая сталь

К ним выдвигаются следующие требования:

• Высокая прокаливаемость для достижения необходимой прочности по всей детали, достигающей иногда десятка метров. При этом закалку проводят с медленным графиком охлаждения в масле.
• Глубокая прокаливаемость. Для обеспечения постоянства размеров и формы выпускаемого проката важно, чтобы зона высокой прочности не сосредотачивалась в приповерхностном слое, а равномерно проникала по всему объему изделия, достигающего в диаметре нескольких метров, гарантируя заданную жесткость всего валка. Этого добиваются доведением углерода до 0,8%, специальным подбором лигатур (включая кремний и бор) и тщательным соблюдением программы термообработки, в особенности в части графика охлаждения.
• Высокая износостойкость. Гарантирует долгую бесперебойную работу всего прокатного стана, стабильность параметров проката и снижение расходов на внеплановый ремонт и последующую настройку оборудования.
• Достаточная контактная прочность. Значение параметра с заданным запасом должно превышать напряжения, возникающие в ходе технологического процесса, учитывая как нагрузки от веса самого оборудования, так и возникающие вследствие сопротивления прокатываемого материала.
• Минимизация собственных деформаций, нарушения соосности и коробления в ходе термообработки, а также максимально возможная стабильность формы и размеров изделия при его работе.

Завершается перечень требований приемлемой обрабатываемостью изделий и отличной шлифуемостью и полируемостью поверхностей. Это позволит получать прокат стабильно высокого качества.

Производство сплава

Процесс изготовления сплава сводится к переработке чугуна, при которой отжигаются лишние примеси и вводятся легирующие элементы. Используются при этом несколько методов.

• Мартеновский – расплавленный или твердый чугун с рудой плавят в мартеновской печи при 2000 С, чтобы отжечь лишний углерод. Добавки вводят в конце плавки. Сталь разливают в ковши и переправляют в прокатный цех.
• Кислородно-конвертерный – более производительный. Сквозь чугун в печи продувают воздух или смесь воздуха с кислородом, добиваясь более быстрого и полного отжига.
• Электроплавильный – плавка осуществляется в закрытой печи при 2200 С, что исключает попадание в сплав газов. Дорогостоящий метод, которым получают лишь высококачественные составы.
• Прямой метод – в шахтной печи окатыши, получаемые из железной руды продувают продуктами сгорания природного газа – смесью кислорода, угарного газа, аммиака, при температуре в 1000 С.

На этом процесс изготовления стали не заканчивается. В тех случаях, когда необходимо получить максимально прочный материал, прибегают к дополнительной обработке.

Термический метод

К термическим способам относится:

• отжиг – нагрев и медленное охлаждение разных видов и с разной скоростью;
• закалка – нагрев выше критической температуры, что вызывает перекристаллизацию сплава, и быстрее охлаждение;
• отпуск – процедура, осуществляет вслед за закалкой с целью уменьшить напряжение металла;
• нормализация – тот же отжиг, но проводимый не в печи, а на воздухе.

Термомеханический способ

Термомеханические методы сочетают механическое и термическое воздействие:

• высокотемпературная ТМО – закалка – наклеп, упрочнение, производится сразу же после нагрева, пока сплав сохраняет аустенитную структуру. Изменение вследствие пластической деформации при прокатке или штамповке сохраняется на 70% и после охлаждения и сталь оказывается более прочной;
• при низкотемпературной ТМО – холоднокатаная сталь. Сплав нагревают для аустенитного состояния, охлаждают ниже точек рекристаллизации, чтобы добиться появления мартенситной фазы – в пределах 400– 600 С. Затем производится закалка – наклеп, прокатка. При охлаждении эффект полностью сохраняется.

Термохимическая обработка

Термохимическая обработка представляется собой нагрев сплавов и выдержку их в определенных химических средах. К наиболее известным методам относят:

• цементацию – насыщение поверхности сплава углеродом. Таким образом получают износостойкий верхний слой;
• азотирование – насыщение стали азотом. Цель такая же – получение верхнего износостойкого слоя, но по сравнению с цементацией, азотирование обеспечивает более высокую стойкость к коррозии;
• нитроцементацию и цианирование – насыщение поверхностного слоя и углеродом и азотом. Обеспечивает более высокую скорость и производительность процесса.