Качество стали

1. Качество стали определяется содержанием вредных примесей..

Основные вредные примеси - это сера и фосфор. Так же к вредным примесям относятся газы ( азот, кислород, водород ).

Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исход- ным сырьём - чугуном. сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS - сульфид железа. при взаимодействием с железом образу- ется эвтектика ( Fe + FeS ) с температурой плавения 9880 С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деормации выше 9000 С ста- ль становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка

разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов

уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение Mns

плавится при 16200 С, эти включения пластичны и не вызывают краснолом- кости.

Содержание серы в сталях допускается не более 0.06%.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном,

используемым также для выплавки стали. До 1.2% фосфор растворяется в

феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склоннос-

тью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве

фосфора в отливке всегда могут образоваться участки, богатые фосфором.

Расположенный вблизи границ фосфор повышает температуру перехода в

хрупкое состояние ( хладноломкость ). Поэтому фосфор, как и сера, явля- ется вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0.050%.

Скрытые примеси:

Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавки. В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды ). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается

10-2 - 10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшает- ся, свойства улучшаются.

Углеродистые инструментальные стали бывают двух видов: качественные

и высококачественные.

Качественные углеродистые инструментальные стали маркируют буквой

" У " ( углеродистая ); следующая за ней цифра ( У7, У8, У10 и т.д ) пока- зывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Высококкачественные стали дополнительно маркируются буквой " А " в конце ( У10А ).

Инструментальные углеродистые стали:

Обладают высокой твёрдостью ( 60-65 HRC ), прочностью и износостой- костью и применяются для изготовления различного инструмента.

Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У10 (У10А), У11 (У11А),

У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного

аустенита имеют небольшую прокаливоемость, и поэтому эти стали приме- няют для инструментов небольших размеров.

Для режущего инстумента ( фрезы, зенкеры, свёрла, спиральные пилы, ша- беры, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инстру- мент и т.д ) обычно применяют заэвтектоидные стали ( У10, У11, У12 и У13 ),

у которых после термической обработки структура - мартенсит и карбиды.

Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвёртки,

топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термической обра- ботки трооститную структуру.

Углеродистые стали в исходном (отожжённом) состоянии имеют струк- туру зернистого перлита, низкую твердость ( HB 170-180 ) и хорошо обраба-

тываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей У10-У13 должна быть 760-780 0 С, т.е несколько выше Ас1 , но ниже

Аст для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную структуру и сохраняли мелкое зерно и нерастворбнные частицы вторичного

цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из сталей У10-У12 для уиеньшения деформаций охлаждают в го-

рячих средах ( ступенчатая закалка ).

Отпуск проводят при 150-1700 С для сохранения высокой твёрдости

( 62-63 HRC ).

Сталь У7 закаливают с нагревом выше точки Ас3 ( 800-8200 С ) и под- вергают отпуску при 275-325 0 С ( 48-58 HRC ).

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущето инстру- мента только для резанья материалов с малой скоростью, так как их высо-

кая твёрдость сильно снижается при нагреве выше 190-200 0 С.

2. Диаграмма состояния железо-карбид железа.

Стали, содержащие от 0,8 до 2.14 % С, называют заэвтектоидными.

В начале нагревания заэвтектоидный сплав имеет структуру перлита и

вторичного цементита.

При повышении температуры до 7270 С сплав просто нагревается. В т.1 происходит эвтектоидное превращение, перлит превращается в аустенит. От точки 1 до точки 2 сплавы имеют структуру аустенит + вторичный цемен- тит. По мере приближения к точки 2 концентрация углерода в аустените увеличивается согласно линии SE.

При температурах, соответствующих линии SE ( т.2 ), аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при повышении температуры сплав имеет струк- туру только аустенита. До точки 3 в сплаве не происходит никаких измене- ний, просто увиличивается температура.

При повышении температуры в точки 3 твёрдый аустенит начинает плави- ться. Структура становится жидкость+аустенит. До точки 4 сплав продол- жает плавиться.

В точке 4 под влиянием высокой температуры весь аустенит расплавля- ется. Структура становится - жидкость.

3. При нагреве выше температуры 7270 С число зародышей всегда достато- чно велико и начальное зарно аустенита мелкое. Чем выше скорость нагре- ва, тем меньше зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем скорость их роста.

При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности

выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристал- лизация и зерно увеличиается. Рост зерна, образовавшегося при нагреве до

данной температуры, етественно, не изменяется при последующим охлажде- нии

Способность зерна аустенита к росту зерна неодинакова даже у сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки.

По склонности к росту зерна разлиают два предельных типа сталей:

наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких темпера- тур ( 1000-10500 С ) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозер- нистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незна- чительном перегреве выше 7270 С. Различная склонность к росту зерна оп- ределяется условиями раскисления стали и её составом.

Чем меньще зерно, тем выше прочность (sв ,sт ,s-1), пластичность (d,y) и вязкость ( KCU, KCT ), ниже порог хладноломкости ( t50 ) и меньше скло- нность к хрупкому разрушению. Уменьщая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов упрочнения на порог хладноломкости.

Легирующие элементы, особенно карбидообразующие ( нитридообразую- щие ) задержиают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ti,

V, Nb, Zr, Al, и N, образующие трудно растворимые в аустените карбиды

( нитриды ), которые служат барьером для роста зерна. Чем больше объ- ёмная доля карбидов ( нитридов ) и выше их дисперстность ( меньше размер ), тем мельче зерно аустенита. Одновременно нерастворимые кар- биды ( натриды ) оказывают зародышное влияние на образование новых зёрен аустенита, что также приводит к получению более мелкого зерна. Марганец и фосфор способствуют росту зерна аустенита.

Все методы, вызывающие измельчение зерна аустенита, - микролегирование ( V, Ti, Nb и др.), высокие скорости нагрева и др. - повышают конструкцион- ную прочность стали.

Крупное зерно стремятся получить только в электротехнических ( транс- форматорных ) сталях, чтобы улучшить их магнитные свойства.