Способы улучшения качества стального слитка

Существует ряд способов, которыми можно улучшить качество стального слитка, предотвратив возникающие при разливке дефекты.

Разливка стали под слоем синтетического шлака. Применяется для предотвращения окисления легированной стали в процессе разливки и улучшения качества поверхности слитка. Синтетический шлак выплавляют в специальной электропечи (из плавикового шпата, извести, шамотного боя и песка) и заливают в изложницы. При заливке сверху шлак задерживает неметаллические включения, а также предохраняет сталь от окисления. При заливке снизу он закрывает поверхность.

Разливка стали в инертной атмосфере – это защита струи металла и поверхности металла в изложнице газом (аргоном). Обеспечивает снижение содержания газов и неметаллических включений, улучшает качество поверхности слитка, повышает механические свойства высоколегированной стали.

Плавка в вакуумных дуговых и индукционных печах. Дпя получения в небольших количествах коррозионностойких (нержавеющих), жаропрочных и др. сталей и сплавов с наиболее высокими механическими свойствами, особо чистых по содержанию газов и неметаллических включений применяют плавку в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом.

Электрошлаковый переплав. Создан в Институте электросварки им. Е.О.Патона как способ электрошлаковой сварки металлов большой толщины и нашел применение в металлургии как способ повышения качества стали.

Медный водоохлаждаемый кристаллизатор, расходуемый электрод (переплавляемый слиток), гранулированный шлак, температура расплавленного шлака 1000 ∘C. Капли металла проходят через слой рафинирующего высокоосновного шлака, очищаясь от серы, фосфора, газов и неметаллических включений. Процесс может быть повторен несколько раз. Масса электрода – слитка 1 – 2 тонны. Стали электрошлакового переплава получили название особовысококачественных.

Классификация сталей

Стали подразделяются (классифицируются) по нескольким признакам:

1. по химическому составу

2. по назначению (применению)

3. по качеству

4. по микроструктуре

Химический состав стали является основным классификационным признаком, им определяется марка стали.

По химическому составу сталь делят на углеродистую (нелегированную) и легированную.

Углеродистой сталью называют сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 0,02 до 2.14% и примеси марганца до 0,9%, кремния до 0,5%, серы до 0,06%, фосфора до 0,07%.Главной составляющей, определяющей свойства стали, является углерод.

В зависимости от количества углерода углеродистую сталь подразделяют на:

· низкоуглеродистую – углерода до 0,25%

· среднеуглеродистую - углерода от 0,25 до 0,6%

· высокоуглеродистую – углерода от 0,6% до 2,0%

Такое деление необходимо для выбора технологического процесса обработки углеродистых сталей.

По назначению (применению) различают следующие углеродистые стали:

1. конструкционные:

o а) строительные – низкоуглеродистые

o б) машиностроительные – среднеуглеродистые и высокоуглеродистые

2. инструментальные;

3. специального назначения.

По качеству стали подразделяют на:

· сталь обыкновенного качества

· сталь качественную

· сталь высококачественную

· сталь особовысококачественную.

Углеродистые стали

Конструкционная углеродистая сталь. Конструкционной углеродистой сталью называют сталь, содержащую углерода до 0,6% (в некоторых случаях до 0,85%).

По качеству углеродистая конструкционная сталь делится на сталь обыкновенного качества и сталь качественную.

Сталь углеродистая конструкционная обыкновенного качества (ГОСТ 380 – 2005). Применяется для изготовления изделий не ответственного назначения: строительных конструкций, крепежных деталей, листового и профильного проката, заклепок, труб, арматуры, проволоки и др.

По степени раскисленности она может быть кипящей, полуспокойной и спокойной. Это находит отражение в маркировке этих сталей в виде букв «кп», «пс» и «сп».

Маркировка этих сталей буквенно-цифровая: от Ст0 до Ст6, где буквы означают «сталь», а цифры порядковый номер. Содержание углерода в этих сталях находится в пределах, повышаясь с увеличением порядкового номера.

Сталь углеродистая конструкционная качественная (ГОСТ 1050-88). Качественную сталь применяют для изделий, требующих материала с большей пластичностью и сопротивлением удару, деталей, работающих при повышенных давлениях, для зубчатых колес, труб, винтов, болтов, для сварных изделий, для деталей, подлежащих цементации и др

Качественная конструкционная углеродистая сталь отличается по свойствам от стали обыкновенного качества большей прочностью, пластичностью и сопротивлением ударным нагрузкам.

Маркировка этих сталей цифровая от 05 до 60, например, «Сталь 45». Двузначное число указывает на содержание углерода в сотых долях процента.

Сталь углеродистая инструментальная. По ГОСТ 1435 – 20005 «Сталь инструментальная нелегированная».

Углеродистой (нелегированной) инструментальной сталью называется сталь с содержанием углерода от 0,7 до 1,4%. Эту сталь применяют после термообработки (закалка и отпуск).

Инструментальная углеродистая сталь подразделяется на качественную и высококачественную.

Маркировка этих сталей буквенно-цифровая:

Марки качественной стали: от У7 до У13.

Марки высококачественной стали: от У7А до У13А.

Буква «У» обозначает «сталь углеродистая (нелегированная), т.е. свидетельствует о принадлежности этой стали к определенной группе. Цифры указывают на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Индекс «А» в конце марки указывает на то, что эта сталь высококачественная. Высококачественная сталь отличается более узкими пределами содержания входящих в состав элементов и низким содержанием вредных примесей – серы и фосфора, большим содержанием легирующих элементов – хрома и никеля.

Содержание серы в качественной инструментальной стали 0,03%, в высококачественной – 0,02%; фосфора 0,035% и 0,030%.

Твердость высококачественной стали не выше твердости качественной, однако, высококачественная сталь прочнее, содержит меньше неметаллических включений, лучше противостоит действию ударных нагрузок, дает при закалке меньше брака.

Углеродистые инструментальные стали используются для изготовления режущего, измерительного и штампового инструмента. После термической обработки инструменты обладают высокой прочностью и твердостью (до HRC 60-65), а также высокой износостойкостью, что важно для сохранения формы и размеров инструмента.

К недостаткам углеродистой инструментальной стали относятся невозможность сочетания прочности и твердости с пластичностью и потеря твердости и режущей способности при нагревании до 200 ∘ и потеря прочности при высокой температуре.

Поэтому инструментальные углеродистые стали применяют обычно для изготовления измерительного инструмента (штангенциркули, калибры, нутромеры и т.п.) и для режущего инструмента, работающего при низких скоростях резания (напильников, зубил, метчиков, шаберов, для хвостовиков сверл и разверток и т.п.).

Углеродистые стали специального назначения. Примерами углеродистых сталей специального назначения могут служить следующие стали:

1. сталь для глубокой вытяжки с содержанием углерода не более 0,2%, обладающая хорошей пластичностью,

2. электротехническая сталь с содержанием углерода не более 0,05% (легирована кремнием до 4%).

3. стали с повышенной обрабатываемостью резанием (старое название – автоматные стали) с повышенным содержанием серы до 0,30% и фосфора до 0,15%. Марки А12, А20, А30 и др.

Эти стали удобно использовать для изготовления изделий не ответственного назначения на станках-автоматах, так как они образуют короткую ломкую стружку, что важно при работе скоростных автоматов. Стойкость режущего инструмента при обработке автоматных сталей в 2 – 3 раза выше, чем при обработке обыкновенных и качественных конструкционных сталей.

Легированные стали

Легированной сталью называется сталь, в состав которой, наряду со всеми элементами, входящими в углеродистую сталь, входят еще специально введенные добавки – легирующие элементы (хром, вольфрам, никель, кобальт и др.).

Влияние легирующих элементов на свойства стали определяется не только природой и количеством легирующих элементов, но и их взаимодействие с железом, углеродом и между собой.

По отношению к углероду легирующие элементы делят на две группы:

А. образующие с углеродом химические соединения – карбиды (хром, марганец, титан, ванадий, вольфрам, молибден и др.)

Б. не образующие карбидов (никель, алюминий, кремний и др.).

Все стали, легированные карбидообразующими элементами, обладают высокой твердостью, повышенным сопротивлением износу.

Легирующие элементы оказывают влияние на аллотропические превращения железа. Такие элементы, как хром, вольфрам, молибден, титан и др. повышают температуру превращения гамма-железа в альфа-железо (критическую точку А3), т.е. сужают область твердых растворов гамма-железа. Никель, марганец, медь, цинк и др. понижают температуру превращения гамма-железа в альфа-железо (критическую точку А3), т.е. расширяют область твердых растворов гамма-железа, что может иметь важное значение для термической обработки сталей.

Легирующие элементы оказывают влияние на превращения, протекающие в стали в твердом состоянии (перлитные, мартенситные), а также на превращения при отпуске. Большинство легирующих элементов понижают точку начала мартенситного превращения, что также имеет практически важное значение, так как при закалке легированных сталей можно применять более медленно охлаждающие средства. В некоторых высококачественных сталях структуру мартенсита можно получить даже после охлаждения на воздухе.

Легированную сталь подразделяют по количеству входящих легирующих элементов на:

1. низколегированную с добавками не более 2,5%

2. среднелегированную с добавками от 2,5% до 10%

3. высоколегированную с добавками более 10%

Маркировка легированных сталей буквенно-цифвовая. Приняты следующие буквенные обозначения основных легирующих элементов: марганец – Г, кремний – С, хром – Х, ванадий – Ф, титан – Т, молибден – М, медь – Д, алюминий – Ю, ниобий – Б, бор – Р, азот – А, редкоземельные металлы – Ч.

Легированные стали применяют как конструкционные, инструментальные и как стали с особыми свойствами.

Конструкционные легированные стали (30ХГС, 30ХГСА, 30ХМА, 38ХМЮА, 18ХГТ, 40Х, 40ХГ и др.) маркируют следующим образом: на первом месте стоит число, указывающая процентное содержание углерода. Далее стоят буквы, обозначающие легирующие элементы, с последующими числами процентного содержания легирующих элементов. Если эти числа отсутствуют, то содержание легирующего элемента соответствует примерно 1,0 – 1,5%. Буква «А» в конце маркировки указывает, что данная сталь является высококачественной.

Наиболее широко применяют в конструкционных сталях такие легирующие элементы, как хром, марганец, кремний. В состав стали они вводятся в количестве от 0,8 до 2%, придавая стали высокую прочность, высокую твердость, упругость. Все они недорогие.

В зависимости от названия легирующих элементов стали бывают хромистые (15Х, 40Х), марганцовистые (10Г2,50Г2), кремнистые (55С2, 60С2), хромомарганцовистые (18ХГ), хромомарганцовокремнистые (30ХГС, (30ХГСА), хромоникелевые (20ХН, 12Х2Н4А) и др.

Инструментальные легированные стали (Х, 9Х, 9ХС, ХВГ, Х12, Х12М, 5ХНМ и др.) маркируют так: на первом месте стоят цифры, указывающие содержание углерода в десятых долях процента, а если цифр нет, то это указывает на содержание углерода примерно в 1%. Далее следуют буквы и цифры, указывающие содержание легирующих элементов в целых процентах. Буква А в конце маркировки, указывающая на высококачественность стали, здесь не ставится, так как все эти стали являются высококачественными.

Для выплавки легированной инструментальной стали используют дорогие, дефицитные легирующие элементы (вольфрам, ванадий, кобальт, титан), которые обеспечивают стали теплостойкость, высокую твердость и хорошие режущие свойства.

Легированные стали особого назначения – это стали с особыми физическими и химическими свойствами: магнитные, немагнитные, коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие, жаропрочные, кислотостойкие и др.

Магнитные стали подразделяют на магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитотвердые стали применяют для изготовления постоянных магнитов. Основными легирующими элементами являются хром и кобальт. Марки таких сталей: ЕХ, ЕХ3,Е7В5, ЕХ5К5, ЕХ9К15М.

Для постоянных магнитов, кроме этого, широко применяют железоникелевые и железоникелекремнисые сплавы.

Из магнитомягких сталей и сплавов, обладающих высокой магнитной проницаемостью, делают сердечники трансформаторов и т. д.

Немагнитные стали заменяют цветные металлы и сплавы. Такие стали широко применяются в приборостроении. Основной легирующий элемент – никель.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали бывают хромистые и хромоникелевые. Они широко используются в химическом машиностроении, турбостроении, медицине. Примеры маркировки: 30Х13, 40Х13, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т.

Жаропрочные и жаростойкие (окалиностойкие) стали применяют для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (детали газовых и паровых турбин, детали реактивных двигателей). Примеры маркировки: 4Х18Н25, 4Х14Н14В2М.

Рассмотренные системы маркировки охватывают большинство применяемых легированных сталей, но существуют стали, в маркировке которых с помощью особой буквы указывают на принадлежность стали к определенной группе. Например, Р для быстрорежущих сталей: Р18, Р9, Р6М5, Ш для шарикоподшипниковых сталей: ШХ15 и др.