Классификация и термообработка стали

Классификация сталей.

Термическая обработка

сталей.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ.

• Сталь - деформируемый сплав железа с углеродом и другими элементами.

• Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

Сталь классифицируют по:

- химическому составу;

- по микроструктуре;

- способу производства и качеству (содержанию вредных примесей);

- по назначению.

Классификация стали по назначению

Конструкционные стали

• Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.

Строительные стали

• К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям - их хорошая свариваемость.

Стали для холодной штамповки

• Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.

Цементируемые стали

• Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода, а также некоторые легированные стали.

Улучшаемые стали

• К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению - термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали, хромистые стали, хромистые стали с бором, хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали

• Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях.

Пружинные стали

• Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором.

Подшипниковые стали

• Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома.

Автоматные стали

• Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.), обрабатываемых на станках-автоматах. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой. Недостаток автоматных сталей - пониженная пластичность.

Износостойкие стали

• Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.). Пример износостойкой стали - высокомарганцовистая сталь.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

• Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали - легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях - нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость. Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть: ферритно-карбидной и мартенситной - для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар);
• ферритной (15X28) - для растворов азотной и фосфорной кислот; аустенитной - в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах; мартенситно-стареющей - в фосфорной, уксусной и молочной кислотах.

Коррозионностойкие стали и сплавы

• Коррозионно-стойкие стали классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные. Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.

Жаропрочные стали

• Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).

• Для жаропрочных и жаростойких машиностроительных сталей используются малоуглеродистые и высоколегированные. Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, йодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах. Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 45-80% от температуры плавления.

Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации: - при 400-550°С - при 500-600°С - при 600-650°С - Жаростойкие стали

• Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах, окислительных и науглероживающих средах и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, так как могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет +950°С, а при 25% Сг до +1300°С. Жаростойкие стали также легируют никелем, кремнием, алюминием.

Криогенные стали

• Криогенные машиностроительные стали и сплавыпо химическому составу являются низкоуглеродистыми и высоколегированными сталями аустенитного класса. Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от +20 до -196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне от -196 до -296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Инструментальные стали

• Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.

Стали для режущих инструментов

• Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.

Углеродистые инструментальные стали

• Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.

Легированные инструментальные стали

• В данную группу сталей входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость - до +300°С.

Быстрорежущие стали

• Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью - до +650С.

Стали для измерительных инструментов

• Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

Штамповые стали

• Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.

Стали для штампов холодного деформирования

• Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Стали для штампов горячего деформирования

• Эти стали должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и высокой теплопроводностью.

Валковые стали

• Данные стали применяют для рабочих, опорных и прочих валков прокатных станов, бандажей составных опорных валков, ножей для холодной резки металла, обрезных матриц и пуансонов.

Термическая обработка стали

• Термическая обработка придает стальным изделиям определенные механические свойства: высокую твердость, повысив этим сопротивление износу, меньшую хрупкость для улучшения обработки или повышения ударной вязкости и т. д. Это достигается нагревом и последующим охлаждением стали по строго определенному температурному режиму. В результате в нужном направлении изменяется структура стали, которая и определяет ее механические свойства.

Различают следующие виды термической обработки стали: -закалку -отпуск -отжиг -нормализацию -обработку холодом -химико-термическую обработку -цементирование -азотирование -хромирование

• Закалка — термическая обработка стали путем ее нагрева до определенной температуры, некоторой выдержки при этой температуре до завершения фазовых превращений с быстрым последующим охлаждением в воде, масле и других жидкостях. При закалке увеличиваются твердость и прочность, но снижается ударная вязкость. Закаленная сталь обладает большой хрупкостью, что делает ее малопригодной для практического использования.

• Отпуску подвергают сталь после закалки для уменьшения хрупкости и ослабления внутренних напряжений. Отпуск стали заключается в нагреве ее ниже температуры закалки с последующим постепенным охлаждением на воздухе. В зависимости от вида отпуска изделие нагревают от 150 до 550°С. С повышением температуры отпуска сильно изменяются механические свойства закаленной стали: предел прочности и твердость понижаются, а относительное удлинение и вязкость возрастают.

• Отжиг уменьшает структурную неоднородность стали, придает мелкозернистую структуру, снижает напряжение, возникшее при обработке давлением (ковке, волочении) или литьем, а также улучшает обрабатываемость стали резанием.

• Нормализация — это, по существу, процесс отжига. Стальное изделие нагревают до температуры несколько ниже температуры закалки, выдерживают сталь при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате сталь получается более мелкозернистой, чем при отжиге, повышаются ее твердость, прочность, ударная вязкость по сравнению с отожженной сталью.

• Обработка холодом способствует более равномерной струк туре и повышает твердость стали. Закаленная сталь с содержа нием углерода более 0,6% состоит из мартенсита с распределен ным в нем остаточным аустенитом, не успевшим перейти мартенсит при закалке. В результате структура стали оказывается недостаточно равномерной и несколько пониженной твердо сти, чем если бы она состояла только из мартенсита. Если же такую сталь подвергнуть после закалки обработке холодом, процесс превращения аустенита в мартенсит продолжается.

• Химико-термическая обработка стали заключается в изменении химического состава поверхностного слоя стального изделия путем насыщения его каким-либо другим веществом (углеродом, азотом, цианом, хромом) с целью повышения твердости, износостойкости или коррозионной стойкости поверхности и сохранения при этом высоких механических качеств самого изделия. Видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование и хромирование .

• Цементацию стали осуществляют насыщением углеродом поверхностного слоя стального изделия при температуре среды 880...950°С, содержащей углерод.

• Азотирование — насыщение азотом поверхностного слоя стального изделия при нагревании до 500...700°С в атмосфере аммиака, при этом повышаются коррозионная стойкость, твердость, износоустойчивость и предел усталости стали. Азотированию подвергают легированные стали, содержащие в качестве легирующего вещества алюминий и прошедшие предварительную термическую и механическую обработку, кроме окончательного шлифования. Глубина азотированного слоя 0,01... 1,0 мм.

• Хромирование — насыщение поверхностного слоя хромом. Повышение коррозионной стойкости стали при действии пресной и морской воды, азотной кислоты, окислительной среды при высокой температуре (окалиностойкость) достигается хромированием. Твердость хромированного слоя низколегированной стали составляет НВ 250...300, а высокоуглеродистой — НВ 1200... 1300.

Спасибо

за внимание!