Вуглецеві сталі.

План.

1.    Вплив постійних домішок на властивості сталей.

2.    Класифікація вуглецевих сталей.

3.    Сталі вуглецеві конструкційні звичайної якості.

4.    Сталі конструкційні вуглецеві якісні.

5.    Сталі вуглецеві інструментальні.

Вуглецеві сталі – це багатокомпонентні сплави заліза з вуглецем, марганцем, кремнієм, фосфором, сіркою та іншими компонентами.

Вплив постійних домішок на властивості сталі

Вуглець у сталях перебуває в складі фериту і цементиту. Ферит має невисоку міцність, малу твердість і добру пластич­ність, але зі збільшенням кількості вуглецю частка фериту у сталі поступово зменшується, а частка високотвердого і малопластичного цементиту зростає. Така зміна у співвідношенні фаз фериту й цементиту збільшує міцність та твердість і зменшує її пластичність та ударну в'яз­кість. Міцність зростає доти, поки частка вуглецю не до­сягне 0,8...0,9 %. Подальше збільшення вуглецю спричинює зменшення міцності, що призводить до руйнування під час нава­нтаження крихкої сітки вторинного цементиту навколо перлітних зерен.

Марганець, як відомо, використовують в металургії з метою дезоксидації та десульфідизації рідкого металу. Розчинений у фериті марганець спотворює кри­сталічну решітку, внаслідок чого помітно підвищується міцність сталі, хоч пластичність змінюється мало.

Кремній застосовують для дезоксидації. Він утворює з фери­том твердий розчин, спотворена гратка якого збільшує міцність і знижує пластичність сталі.

Фосфор розчиняється у фериті і хоч підвищує міцність, проте зменшує пластичність та ударну в'язкість сталі. Спад ударної в'язкості стає причиною холодноламкості, тобто схильності сталі до крихкого руйнування при низьких температурах.

Сірка не розчиняється в залізі, входить до складу хімічної сполуки FeS. Ни­зька температура плавлення сполуки спричинює червоноламкість — схильність сталі до крихкого руйнування під час гарячої обробки тиском. Тому сталь з підвищеною концентра­цією сірки не рекомендують для гарячої обробки тиском. Сір­ка, як і фосфор, є шкідливою домішкою.

Кисень, азот і водень у сталях можуть перебувати у складі оксидів і нітридів, у твердому розчині α-заліза та у газоподібному стані в мікропорож-нинах. Неметалеві вкраплення знижують ударну в'язкість і втомну міцність.

Розчинність кисню, азоту та водню в α-залізі незначна й іс­тотно зменшується зі зниженням температури. Це призводить до виділення в пограничних зонах оксидів чи нітридів. Що сто­сується водню, то він не утворює із залізом хімічних сполук і може протягом тривалого часу поступово виділятись зі сталі. Флокени трапляються в усіх сталях, однак їх найбільше в ста­лях, що містять хром. Що більша міцність сталі, то флокени небезпечніші. Шкідливий вплив газів можна зменшити, дега­зуючи рідкий метал перед розливанням.

Класифікація вуглецевих сталей

Вуглецеві сталі класифікують за структурою, способом ви­робництва, ступенем дезоксидації, якістю та призначенням.

За структурою вуглецеві сталі поділяють на доевтектоїдні, евтектоїдні, та заевтектоїдні.

За способом виробництва розрізняють сталі, виплавлені в кисневих конвертерах, в електропечах і в мартенівських печах.

Залежно від ступеня дезоксидації сталі поділяють на спокійні, напівспокійні й киплячі. Всі вони за однакової масової частки вуглецю мало відрізняються статичною міцністю, проте мають різні пластичні властивості, зумовлені неоднаковою масовою част­кою кремнію, яка найбільша в спокійній сталі (0,15...0,30 %) і найменша в киплячій (до 0,05 %). Через найменшу кількість кремнію, розчиненого у фериті, кипляча сталь найпластичніша.

За якістю розрізняють сталі звичайної якості, якісні та високоякісні. Критерієм якості сталей є масові частки шкідливих домішок — фосфору і сірки.

Відповідно до призначення сталі поділяють на конструкційні з масовою часткою вуглецю до 0,65 % та інструментальні з масовою часткою вуглецю в межах від 0,65 до 1,35 %. Конструкційні сталі використовують для виготовлення деталей машин, металевих конструкцій та будівельних споруд. З інструментальних сталей виробляють різальні, вимірювальні інструменти та штампи.

Сталі вуглецеві конструкційні звичайної якості

Вуглецеві сталі звичайної якості є найдешевшими серед сталей. Вони мають підвищену масову кількість фосфору (до 0,07 %) і сірки (до 0,06 %). Марки цих сталей позначають літерами и цифрами. Літери Ст означають „сталь", цифри - умовний номер марки (від 0 до 6) залежно від хімічного складу, літери кп, пс, сп - ступінь дезоксидації (кп - кипляча, пс – напів-спокійна, сп - спокійна). Хімічний склад можна визначити з довідників.

При підвищеному вмісті в сталі марганцю в марці після цифри записують літеру Г, наприклад Ст3Гсп.

Якщо для виплавлення сталей звичайної якості використовують значну кількість скрапу, то в їхньому складі допускається масова частка міді до 0,40%, хрому та нікелю – до 0,35%.

Сталі звичайної якості постачають замовникам у вигляді листів та прокатаних напівфабрикатів стандартного профілю. Ці профілі й листи попередньо розрізують до заданих розмірів, після чого з них виготовляють різні металоконструкції або про­сті заготовки, призначені переважно для малонавантажених де­талей. Заготовки складнішої форми отримують куванням або штампуванням.

Застосовуючи термічну обробку (в тому числі й зміцнюваль­ну), можна змінювати в певних межах структуру та властивос­ті сталей звичайної якості.

Сталі конструкційні вуглецеві якісні

Сталі конструкційні вуглецеві якісні відрізняються від сталей звичайної якості меншою масовою часткою фосфору (не більше ніж 0,035 %), сірки (не більше ніж 0,040 %), а також меншими частками неметалевих вкраплень і газів. Металургій­ний завод, що виплавляє ці сталі, гарантує не лише хімічний склад, але й механічні властивості.

Марки конструкційних вуглецевих якісних сталей познача­ють двозначними числами (що означають середню масову част­ку вуглецю у сотих частках відсотка) і літерами кп (кипляча сталь) або пс (напівспокійна). Спокійні сталі маркують без індексу сп. Наприклад, сталь 45 — спокійна; вона має в середньому 0,45 % вуглецю.

Зі збільшенням у сталі кількості вуглецю від 0,08 до 0,60 % її міцність σ_в у нормалізованому стані зростає від 320 до 680 МПа, а відносне видовження δ зменшується від 33 до 12 %. Із маломіцних сталей марок 05, 08, 10 завдяки високій пластичності виготовляють вироби холодним штампуванням, Зі сталей марок 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 виготовляють різноманітні деталі (в тому числі і відповідальні), що вимагають нормалізації або поверхневого гартування.

Недоліком вуглецевих сталей є мала прогартовуваність.

Різновидністю конструкційних вуглецевих сталей є автоматні сталі, які використовуються для виготовлення малонавантажених деталей на верстатах-автоматах. Ці сталі мають підвищену оброблюваність, для чого часто підвищують вміст сірки (до 0,3%), фосфору (до 0,15%) і марганцю (0,70 – 1,55%). Такі сталі маркують літерою А та цифрами, які показують середній вміст вуглецю (А12, А20). Якщо сталь призначена для виготовлення виливків, то в кінці її марки записують літеру Л (25Л, 45Л), а у марках якісних сталей, призначених для виготовлення котлів, що працюють під тиском, після двохзначного числа пишуть літеру К (12К, 22К).

Сталі вуглецеві інструментальні

Сталі інструментальні нелеговані (вуглецеві) бувають якіс­ні і високоякісні. Масова частка шкідливих домішок у якісних сталях не більше ніж 0,030 % фосфору й не більше ніж 0,028% сірки, а у високоякісних сталях - не більше ніж 0,025 % фосфору й не більше ніж 0,018% сірки.

Марки інструментальних вуглецевих сталей позначають літерою У (вуглецева) і числами, що означають масову частку вуглецю у десятих долях відсотка (У7, У12). В сталі У7 маємо в середньому 0,7 % вуглецю, а в сталі У12 — 1,2 %. За підвищеної кількості марганцю у сталі після числа допису­ють літеру Г (У8Г). Високоякісні сталі позначають літерою А (У8А, У12А).

Інструменти для різання металів працюють в умовах високого тиску, температури й тертя. Щоб ефективно їм протистояти, ці матеріали повинні мати високу твердість, зносостійкість, теп­лостійкість і міцність.

Твердість різальної частини інструмента має значно перевищувати твердість оброблюваного матеріалу.

Зносостійкість — це здатність інструмента якомога довше протистояти поступовому його руйнуванню з боку матеріалу заготовки. Внаслідок такого руйнування різальний інструмент затуплюється. Що твердіший матеріал інструмента, то вищою буде його зносостійкість.

Теплостійкістю називають температуру, при нагріванні до якої твердість інструмента починає стрімко знижуватись вна­слідок структурних змін.

Міцність різального інструмента повинна бути достатньою, щоб сприймати великі сили різання.

Із сталей У7, У7А виготовляють інструменти для обробки дерева (сокири, стамески, долота) та ударні інструменти (пуан­сони, молотки, зубила). Для виготовлення деревообробних інструмен­тів (фрез, пил, свердл) використовують сталі У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А.

Із сталей У10, У10А, У12, У12А виготовляють металооброб­ний інструмент, що працює при невисоких температурах (міт­чики, плашки, штампи, вимірювальні інструменти).

Із сталей У12, У12А, У13, У13А виготовляють напилки, шабери.