Состав сплава стали – Жаростойкие сплавы. Специальные стали и сплавы. Производство и использование жаростойких сплавов

Содержание

таблица, примеры. Расшифровка сталей по составу



Хирургическая сталь - состав сплава, свойства и применение

Еще с древних времен люди пытались применить сталь в медицинских целях. Первые опыты заканчивались не очень удачно: она ржавела, в некоторых случаях став причиной смерти пациента. Но наука не стояла на месте. Металлургия развивалась: улучшались технологии получения и легирования, открывались новые металлы. Как результат, в 1666 году некто Фабрициус впервые успешно провел операцию, скрепив сломанные участки кости стальным кольцом. Понятие хирургическая сталь таким образом и вошло в обиход.

Критерии хирургической стали

Как таковой «хирургической» марки не существует. Никакой государственный стандарт не регламентирует ее химический состав и механические свойства. Это больше ходовое понятие, используемое внутри специалистов для обозначения материала, который служит для изготовления медицинского инструмента: скальпелей, зажимов и прочее.

Есть некоторые требования, по которым определяют принадлежность стали к данной группе. Основными критериями здесь выступают такие параметры как:

  • Пористость.
  • Коррозионная стойкость.
  • Твердость.

Разберем теперь каждый пункт более подробно.

Для хирургической стали характерно наличие низкой пористости, т.е. малого расстояния между зернами металла. Дело в том, что крупные поры являются местом скопления бактерий, которые впоследствии становятся причиной распространения инфекции по живому организму. Не помогает в этом случае и дезинфекция. Наружный слой микроорганизмов мешает проникновению дезинфицирующего раствора внутрь поры.

Хирургическая марка стали должна быть устойчива к воде. Не окисляться и не образовывать ржавчину при взаимодействии с атмосферными газами. Быть инертной по отношению к живой ткани. Не вступать в химическую реакцию с большинством видов органических и неорганических кислот. Не должна обладать токсичностью.

Наличие высокой твердости необходимо для обеспечения острой режущей кромки лезвия. Инструмент не должен гнуться при воздействии на него механических нагрузок. Твердость продлевает время эксплуатации инструмента. Помимо этого, не стоит забывать и о прочности. Лезвие не должно быть ч

pellete.ru

получение стали, процесс и способы. Технология получения стали

Стальные изделия даже на фоне активного распространения высокопрочных пластиков сохраняют свои позиции на рынке. Углеродистые сплавы с разными характеристиками используются в приборо- и автомобилестроении, строительстве и на производствах. Уникальное сочетание упругости и прочности делает материал выгодным с точки зрения длительной эксплуатации. Соответственно, изделия служат дольше и дешевле обходятся в обслуживании. Но и это не все достоинства, которыми обладает сталь. Получение стали с применением современных технологий позволяет наделять структуру металла и дополнительными свойствами.

Общие сведения о технологиях производства

Главная задача технолога заключается в обеспечении процесса, при котором в заготовке уменьшается содержание углерода и всевозможных примесей, например серы и фосфора. Основой для заготовки выступает чугун. Стоит отметить, что печи для изготовления чугуна появились еще в средних веках, в то время как первое получение стали было реализовано только в 1885 г., и по сей день методы производства сплава развиваются и улучшаются. Различия в подходах к процессу преимущественно обусловлены способом окисления углерода.

В качестве исходного материала используется литейный чугун. Он может быть применен в твердом или расплавленном виде. Также могут применяться железосодержащие изделия, получение которых осуществлялось путем прямого восстановления. Практически все способы получения стали в том или ином виде также предусматривают процесс рафинирования от примесей. Например, конвертерная технология обеспечивает их выдувание кислородом.

Конвертерный метод

При таком способе в качестве основы может применяться расплавленный чугун, а также примеси и отходы в виде руды, металлического лома и флюса. Сжатый воздух подается через технологические отверстия на подготовленную основу, способствуя выполнению химических реакций. Также в процессе участвует тепловое воздействие, при котором происходит окисление кислорода и примесей. Особое значение имеют и характеристики печного сооружения, в котором обрабатывается сталь. Получение стали может происходить в агрегатах с разной футеровкой – наиболее распространены способы защиты конструкций огнеупорным кирпичом и доломитовой массой. По типу футеровки конвертерный метод подразделяется также на два других способа: томасовский и бессемеровский.

Томасовский способ

Особенностью данного метода является тщательная переработка чугуна, содержащего до 2 % фосфорных примесей. Что касается техники футеровки, то ее реализуют с применением оксидов кальция и магния. Благодаря этому решению шлакообразующие элементы наделяются избыточным количеством оксидов. Процесс фосфорного горения выступает одним из ключевых источников тепловой энергии в данном случае. К слову, сгорание 1 % фосфорного наполнения повышает температуру печи на 150 °C. Томасовские сплавы отличаются малым содержанием углерода и чаще всего применяются в качестве технического железа. В дальнейшем из него изготавливают проволоку, кровельное железо и т. п. Кроме того, получение стали (чугунов) может применяться для выработки фосфористого шлака с целью дальнейшего использования в качестве удобрения на почвах с повышенной кислотностью.

Бессемеровский способ

Этот способ предполагает переработку основ, в которых содержится небольшое количество серы и фосфора. Но при этом отмечается и высокое содержание кремния – порядка 2 %. В процессе продувания в первую очередь происходит окисление кремния, что способствует интенсивному выделению тепла. В итоге температура в печи повышается до 1600 °C. Окисление железа происходит также интенсивно по мере сгорания углерода и кремния. При бессемеровском способе процесс получения стали предусматривает полный переход фосфора в сталь. Все реакции в печи идут быстро – в среднем 15 мин. Связано это с тем, что кислород, выдуваемый через чугунную основу, вступает в реакции с соответствующими веществами по всему объему. Готовая же сталь может содержать высокую концентрацию монооксида железа в растворенном виде. Данная особенность относится к минусам процесса, так как общее качество металла понижается. По этой причине технологи рекомендуют перед разливкой раскисливать сплавы при помощи специальных компонентов в виде ферромарганца, ферросилиция или алюминия.

Получение в мартеновских печах

Если в случае с конвертерным способом изготовления металла предусматривается обеспечение выжига воздушным кислородом, то мартеновский способ требует включения в технологический процесс железных руд и ржавого лома. Из этих материалов образуется кислород оксида железа, который также способствует выгоранию углерода. Сама же печь включает в основу конструкции плавильную ванну, которая закрывается жаропрочной кирпичной стенкой. Также предусматривается несколько камер регенераторов, обеспечивающих предварительный прогрев воздушной массы и газа. Регенерирующие блоки оснащаются специальными насадками, выполненными из огнестойкого кирпича.

Как и конвертеры, мартеновские плавильники функционируют периодически. По мере закладки новых партий шихты, то есть чугунной основы, поэтапно производится и сталь. Получение стали происходит медленно, так как переработка чугуна занимает около 7 ч. Но зато мартены позволяют регулировать химические свойства сплава путем внесения железных добавок в разных пропорциях – для этого используются руда и лом. На завершающей стадии формирования металла работа печи останавливается, шлак сливают, после чего добавляется раскислитель. Кстати, в такой печи можно получать и легированные стали.

Электротермический способ

На сегодняшний день электротермическое получение сталей считается наиболее эффективным. Так, по сравнению с мартеновскими печами и конвертером данная методика обеспечивает возможность более точного контроля качества стали – в том числе за счет регуляции химического состава. Отдельного внимания заслуживает и взаимодействие печных камер с воздушной средой. Электротермическая технология получения стали предусматривает минимальный доступ к воздуху, обуславливая уже другие преимущества. Например, это позволяет минимизировать скопления монооксида железа и посторонних частиц в сплаве, а также обеспечивать более эффективное выгорание фосфора и серы.

Высокий температурный режим на уровне 1650 °C дает возможность выполнять плавку проблемных шлаков, которые требуют термического воздействия на повышенных мощностях. Также в электропечах можно осуществлять легирование стали за счет тугоплавких металлов, среди которых вольфрам и молибден. Однако есть и серьезный недостаток у данного метода получения сталей. Используемые печи требуют больших объемов энергии, что делает этот процесс самым дорогим.

Зависимость свойств металла от элементной базы

Эксплуатационные качества стали определяются набором химических элементов, которыми был наделен сплав в ходе изготовления. Одним из ключевых компонентов, благодаря которым данный металл обретает свои основные свойства в виде твердости и прочности, является углерод. Чем он выше, тем надежнее сталь. Марганец с кремнием особого влияния на качества материала не оказывают, но их использование необходимо в изготовлении некоторых марок стали для выполнения процесса раскисления. Негативное же воздействие на формирование изделия оказывают сера и фосфор. В зависимости от того, по какой технике выполнялось получение, состав стали может иметь разные концентрации данных элементов. В любом случае сера повышает ломкость металла, а также уменьшает свойства прочности и пластичности. Фосфор, в свою очередь, наделяет сталь хладноломкостью, которая в процессе эксплуатации может быть выражена хрупкостью.

Техники обработки сталей

Далеко не всегда процесс окончательного формирования структуры металла завершается после основного получения. В дальнейшем, с целью совершенствования характеристик изделия, могут применяться средства дополнительной обработки. К таким можно отнести деформационные методы в виде ковки, штамповки и вальцевания. Это помогает уже на этапе производства сформировать комплекс необходимых технических свойств, которыми будет обладать готовая сталь. Получение стали на выходе дает пластичную структуру, поэтому и технологии первичной переработки достаточно разнообразны. Так, помимо деформирования, могут применяться методы закалки, отжига и нормализации.

Заключение

Сталь ассоциируется с надежностью и долговечностью. В случае с качественными изделиями этого вида такие характеристики оправданы. Например, отдельные марки обеспечивают довольно высокие качества прочности и упругости. В зависимости от того, по какой технологии выполнялось получение, применение стали может быть ориентировано на поддержание твердости, способность выдерживать динамические нагрузки и т. д. Наиболее выгодный с точки зрения технико-эксплуатационных свойств металл позволяет получать электротермический способ. Но в то же время он является и самым дорогостоящим, поэтому к данной методике прибегают только в особых случаях - для создания спецсталей.

fb.ru

Жаростойкие сплавы. Специальные стали и сплавы. Производство и использование жаростойких сплавов

Современную промышленность невозможно представить без такого материала, как сталь. С ней мы сталкиваемся практически на каждом шагу. С помощью введения в ее состав различных химических элементов можно значительно улучшить механические и эксплуатационные свойства.

Что такое сталь

Сталью называется сплав, который имеет в своем составе углерод и железо. Также такой сплав (фото расположено ниже) может иметь примеси других химических элементов.

Выделяют несколько структурных состояний. Если содержание углерода находится в пределах 0,025-0,8%, то данные стали называются доэвтектоидными и имеют в своей структуре перлит и феррит. Если сталь заэвтектоидная, то можно наблюдать перлитную и цементитную фазы. Особенностью ферритной структуры является большая пластичность. Цементит же обладает немалой твердостью. Перлит образуют обе предыдущие фазы. Он может иметь зернистую форму (по зернах феррита располагаются включения цементита, которые имеют круглую форму) и пластинчатую (обе фазы имеют вид пластин). Если сталь нагревается выше той температуры, при которой происходят полиморфные модификации, то структура изменяется на аустенитную. Данная фаза имеет повышенную пластичность. Если содержание углерода превышает 2,14%, то такие материалы и сплавы называют чугунами.

Виды стали

В зависимости от состава сталь может быть углеродной и легированной. Содержание углерода меньше 0,25% характеризует низкоуглеродистую сталь. Если его количество достигает 0,55%, то можно говорить о среднеуглеродистом сплаве. Сталь, которая в своем составе имеет больше 0,6% углерода, называется высокоуглеродистой. Если при том, как изготовляется сплав, технология подразумевает введение специфических химических элементов, то данная сталь называется легированной. Введение различных компонентов значительно меняет ее свойства. Если их количество не превышает 4%, то сплав низколегированный. Среднелегированная и высоколегированная сталь имеет соответственно до 11% и больше 12% включений. В зависимости от того, в какой сфере применяются стальные сплавы, выделяют такие их виды: инструментальные, конструкционные и специальные стали и сплавы.

Технология изготовления

Процесс выплавки стали довольно трудоемкий. Он включает в себя несколько этапов. Прежде всего, необходимо сырье – железная руда. Первый этап включает нагрев до определенной температуры. При этом происходят окислительные процессы. На втором этапе температура становится значительно выше. Процессы окисления углерода проходят более интенсивно. Возможно дополнительное обогащение сплава кислородом. Ненужные примеси удаляются в шлак. Следующий шаг направлен на удаление кислорода из стали, так как он существенно снижает механические свойства. Это может проводится диффузионным или осаждающим способом. Если процесс раскисления не происходит, то получаемая сталь называется кипящей. Спокойный сплав газы не выделяет, кислород удаляется полностью. Промежуточное положение занимают полуспокойные стали. Производство сплавов железа происходи в мартеновских, индукционных печах, кислородных конвертерах.

Легирование стали

Для того чтобы получить те или иные свойства стали, в ее состав вводят специальные легирующие вещества. Основными преимуществами такого сплава являются повышенная стойкость к различным деформациям, надежность деталей и прочих конструкционных элементов значительно возрастает. При закалке снижается процент трещин и других дефектов. Нередко такой метод насыщения разными элементами используется для придания стойкости к химической коррозии. Но имеется и ряд недостатков. Они требуют дополнительной обработки, высока вероятность появления флокенов. К тому же возрастает и стоимость материала. Наиболее распространенные легирующие элементы – хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт. Область их применения довольно велика. Это и машиностроение, и изготовление деталей трубопроводов, электростанций, авиация и многое другое.

Понятие жаропрочности и жароустойчивости

Под понятием жаропрочности подразумевается способность металла или сплава сохранять все свои характеристики при работе в высоких температурах. В такой среде часто наблюдается газовая коррозия. Поэтому материал должен обладать и стойкостью к ее действию, то есть быть жаростойким. Таким образом, характеристика сплавов, которые используются при значительной температуре, должна включать оба этих понятия. Только тогда такие стали обеспечат необходимый ресурс работы для деталей, инструментов и других конструкционных элементов.

Особенности жаропрочной стали

В случаях, когда температура достигает больших значений, требуется применение сплавов, которые не будут разрушаться и поддаваться деформации. В этом случае используют жаростойкие сплавы. Рабочая температура для таких материалов – выше 500ºС. Немаловажными моментами, характеризующими подобные стали, являются высокий предел выносливости, пластичность, которая сохраняется долгое время, а также релаксационная устойчивость. Существует ряд элементов, способных значительно повысить стойкость к высоким температурам: кобальт, вольфрам, молибден. Обязательным компонентом является и хром. Он не столько влияет на прочность, как повышает окалиностойкость. Также хром препятствует коррозийным процессам. Еще одна важная характеристика сплавов подобного типа – медленная ползучесть.

Классификация жаропрочных сталей за структурой

Жаропрочные и жаростойкие сплавы бывают ферритного класса, мартенситного, аустенитного и с феритно-мартенситной структурой. Первые имеют в своем составе около 30% хрома. После специальной обработки структура становится мелкозернистой. Если температура нагрева превышает 850ºС, то зерна увеличиваются, и такие жаростойкие материалы приобретают хрупкость. Мартенситный класс характеризуется таким содержанием хрома: от 4% до 12%. Также в незначительных количествах может присутствовать никель, вольфрам и другие элементы. Из них изготовляют детали турбин, клапанов в автомобилях. Стали, которые имеют в своей структуре мартенсит и феррит, подходят для работы при постоянных высоких температурах и длительной эксплуатации. Содержание хрома достигает 14%. Аустенит получается при введении в жаропрочные сплавы никеля. Стали с подобной структурой имеют множество марок.

Сплавы на основе никеля

Никель обладает целым рядом полезных свойств. Он положительно влияет на обрабатываемость стали (как в горячем, так и в холодном состоянии). Если деталь или инструмент предназначены для работы в агрессивной среде, то легирование данным элементом существенно повышает стойкость против коррозии. Жаростойкие материалы на основе никеля разделяют на такие группы: жаропрочные и собственно жаростойкие. Последние должны иметь также минимальные жаропрочные характеристики. Рабочие температуры достигают 1200ºС. Дополнительно вводят хром или титан. Характерно, что стали, легированные никелем, имеют небольшое количество таких примесей, как барий, магний, бор, поэтому границы зерен более упрочнены. Жаропрочные сплавы такого типа выпускаются в виде поковок, проката. Также возможен отлив деталей. Основная область их применения – изготовление элементов газовых турбин. Жаростойкие сплавы на основе никеля имеют в составе и до 30% хрома. Они достаточно хорошо поддаются штамповке, свариванию. К тому же, окалиностойкость находится на высоком уровне. Это дает возможность использовать их в газопроводных системах.

Жаропрочная сталь, легированная титаном

Титан вводится в небольшом количестве (до 0,3%). В таком случае он повышает прочность сплава. Если его содержание значительно выше, то некоторые механические свойства ухудшаются (твердость, прочность). А вот пластичность при этом возрастает. Это облегчает обработку стали. При введении титана вместе с другими компонентами можно существенно повысить жаропрочные характеристики. Если есть необходимость работы в агрессивной среде (особенно в том случае, когда конструкция подразумевает сваривание), то легирование данным химическим элементом является оправданным.

Кобальтовые сплавы

Большое количество кобальта (до 80%) идет на производство таких материалов, как жаропрочные и жаростойкие сплавы, так как в чистом виде он редко применяется. Его введение повышает пластичность, а также стойкость при работе с высокими температурами. И чем она выше, тем выше количество кобальта, введенного в сплав. В некоторых марках его содержание достигает 30%. Еще одна характерная черта подобных сталей – улучшение магнитные свойства. Однако в связи с большой стоимостью кобальта, его применение довольно ограничено.

Влияние молибдена на жаропрочные сплавы

Данный химический элемент существенно влияет на прочность материала при высоких температурах. Особенно эффективно его применение вместе с другими элементами. Он значительно повышает твердость стали (уже при содержании 0,3%). Предел прочности также возрастает. Еще одна положительная черта, которую имеют жаропрочные сплавы, легированные молибденом – большая степень сопротивления окислительным процессам. Молибден способствует измельчению зерна. Недостатком является затруднение проведения сварки.

Другие специальные стали и сплавы

Для выполнения тех или иных заданий требуются материалы, которые обладают определенными свойствами. Таким образом, можно говорить об использовании специальных сплавов, которые могут быть как легированными, так и углеродными. В последней набор требуемых характеристик достигается за счет того, что изготовление сплавов и их обработка происходит за специальной технологией. Еще специальные сплавы и стали разделяют на конструкционные и инструментальные. Среди основных задач для подобного типа материалов можно выделить следующие: стойкость к процессам коррозии и износу, возможность работы в агрессивной среде, повышенные механические характеристики. В эту категорию относятся и жаростойкие стали и сплавы с высокой рабочей температурой, и криогенные стали, которые способны выдерживать до -296ºС.

Инструментальная сталь

Для изготовления инструментов в производстве используется специальная инструментальная сталь. Ввиду того, что условия работы их разные, материалы также подбираются индивидуально. Так как требования к инструментам достаточно высоки, то и характеристика сплавов для их производства соответственная: они должны быть без сторонних примесей, включений, процесс раскисления хорошо проведен, а структура однородная. Для измерительных приборов очень важно иметь стабильные параметры и противодействовать изнашиванию. Если говорить о режущих инструментах, то они работают в условиях повышенных температур (имеет место нагревание кромки), постоянного трения и деформации. Поэтому для них очень важно сохранять первичную твердость при нагревании. Еще один вид инструментальной стали – быстрорежущая. В основном, она легируется вольфрамом. Твердость сохраняется до температуры около 600ºС. Существуют также и штамповые стали. Они предназначены как для горячего, так и для холодного деформирования.

Область применения сплавов специального назначения

Отраслей, в которых применяются сплавы с особенными характеристиками, множество. Ввиду своих улучшенных качеств, они являются незаменимыми в машиностроении, строительстве, нефтяной промышленности. Жаропрочные и жаростойкие сплавы применяются при изготовлении деталей турбин, запчастей для автомобилей. Стали, которые обладают высокими антикоррозийными характеристиками, незаменимы для производства труб, игл карбюраторов, дисков, всевозможных элементов химической промышленности. Рельсы для железной дороги, ковши, гусеницы для транспорта – основой для всего этого являются износостойкие стали. В массовом производстве болтов, гаек и других подобных деталей используются сплавы автоматные. Рессоры должны быть достаточно упругими и износостойкими. Поэтому материалом для них является пружинная сталь. Для улучшения данного качества они дополнительно легируются хромом, молибденом. Все специальные сплавы и стали с набором определенных характеристик позволяют снизить стоимость деталей там, где раньше применялись цветные металлы.

fb.ru

Состав нержавеющей стали – какие типы сплавов существуют? + видео

Сегодня все большей популярностью пользуются легированные сплавы, особенно с добавлением хрома, который входит в состав нержавеющей стали, обладающей высокими антикоррозийными свойствами. Мы рассмотрим, какие бывают классы нержавейки.

1 Рассмотрим особенности коррозиеустойчивых сплавов

Стали с различными добавками, улучшающими физические свойства, называются легированными. К ним относятся и нержавеющая сталь, в состав которой обычно входит хром, как основной элемент, отвечающий за сопротивление коррозии. Для этой же цели используются в некоторых случаях никель, ванадий, марганец, медь и даже связанный азот. В гораздо меньшем процентном соотношении добавляются другие элементы, улучшающие качества металла: ниобий, кобальт и молибден, иногда – титан. И, конечно, не обойтись без вечных спутников железа – углерода, серы, фосфора, кремния. К слову, чем меньше их процентная доля в сплаве, тем выше качество стали.

Нержавеющая сталь

Рекомендуем ознакомиться

Нержавеющий сплав образуется в том случае, если химический состав имеет включение более 13 % хрома. Если же этот элемент добавить в количестве свыше 17 % от общего соединения компонентов, то сталь будет устойчива к коррозии даже в предельно агрессивных средах. Различают 3 типа нержавейки, которые определяются физическими свойствами. Так, обычный сплав называют просто коррозиестойким, он применяется в быту, а также повсеместно на производстве, где нет необходимости высокой степени защиты металла от агрессивных сред. Второй тип – жаростойкий, у него устойчивость к коррозии сохраняется при крайне высоких температурах. И, наконец, жаропрочный, у которого, как можно понять из названия, в той же агрессивной среде остается неизменной прочность, но коррозия нержавеющей стали у марок этого типа вполне возможна.

Итак, две основные группы нержавеющих сплавов – хромистые и хромоникелевые. Та и другая включают в себя несколько структурных классов. В первую входят мартенситные и ферритные стали, а также еще одна, являющаяся промежуточной и объединяющая в себе некоторые химические показатели двух первых – это мартенситно-ферритный сплав. Во второй группе насчитывается 4 класса: аустенитные, а также переходные аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные и аустенитно-карбидные. Существует также группа хромомарганцевоникелевых сталей, которые, в целом, схожи по своей структуре с хромоникелевыми. Рассмотрим более подробно все вышеуказанные типы и классы.

2 Типы нержавеющих сплавов и их свойства

Как уже было сказано, коррозийную стойкость железо приобретает при добавлении в его расплав другого металла, как правило, благородного или любого цветного. При этом, в зависимости от химического состава сплава, сталь может получить свойства одного из 3 типов нержавейки. Самый простой структурой обладают обычные коррозиестойкие марки, такие как 08X13 и 12X13. Они пластичны и могут быть использованы как в быту в виде различных изделий, так и в промышленности, там, где от деталей и узлов требуется устойчивость к ударным нагрузкам. Как ясно из маркировки, содержание хрома в этих сплавах составляет 13 %. Первые же 2 цифры – это количество углерода, исчисляющееся в сотой доле процента.

Трубы из нержавеющей стали

Следующие 2 типа относятся к сплавам, которые должны сохранять коррозиестойкость при воздействии высоких температур. В жаростойких сталях добавление хрома (или кремния) в количестве от 28 % и более обеспечивает снижение интенсивности окисления вплоть до полного его прекращения даже при сильном нагреве. Иными словами, окалина практически не возникает по той причине, что на поверхности уже имеется оксидная пленка. В той же степени хром может изменить структуру сплава при выработке жаропрочных марок сталей, которые обладают высокой степенью прочности под большой нагрузкой в процессе сильного и длительного нагрева.

3 Химические свойства хромистых коррозиестойких сталей

Следует отметить, что железо, которое является основой любой стали, имеет несколько состояний, совпадающих с фазами активности и покоя кристаллической решетки, которые зависят от степени коррозийной стойкости. Чем она выше, тем более пассивным считается металл. Наиболее распространенными считаются сплавы с образующейся при закалке мартенситной структурой, обладающие достаточно высокой пластичностью. Согласно химическим характеристикам, это железо в α-фазе (чистый металл), содержащее насыщенный твердый раствор углерода. К таковым относятся пищевая и быстрорежущая нержавейка, из которой изготавливают изделия для использования в быту на кухне, например, всевозможные емкости и ножи. Мартенситные стали способны выдержать контакт со слабоагрессивными химическими веществами.

Хромистые коррозиестойкие стали

Другой тип – ферритные сплавы с достаточно высоким магнитным показателем. Разница у них по большей части в форме кристаллической решетки, она имеет кубическую структуру, в отличие от тетрагональной мартенситной. В целом же это средненасыщенный твердый раствор углерода в α-железе с добавлением легирующих элементов, таких как хром. Примечательно, что такие сплавы не подвергаются изменениям при нагреве до предельно возможных температур и не теряют свои свойства. Чаще всего таким изделиям находят применение в пищевой промышленности или для изготовления инструментов. Мартенситно-ферритные сплавы имеют свойства обоих перечисленных типов, то есть они механически устойчивы, обладают высокой прочностью и имеют магнитный потенциал. Но устойчивость к окислительной среде у таких сталей не очень высока, намного ниже, чем у обычных ферритных сплавов.

4 Отличительные черты аустенитных сплавов

В первую очередь рассмотрим аустенитные структуры сталей, которые определяются, как γ-железо (высокотемпературное изменение кристаллической решетки металла) в виде твердого раствора с углеродом. Проще говоря, такие сплавы могут подвергаться межкристаллической коррозии даже при высоком содержании хрома, если не имеют включения дополнительных элементов, таких как титан или ниобий. Во избежание их обязательно подвергают термообработке. В остальном это очень пластичные, прочные и технологичные стали, содержащие, помимо хрома еще и никель, которые относят к разряду конструкционных. Также из этих сплавов изготавливают инструменты, а вот в пищевой промышленности, равно как и для изготовления кухонной утвари, марки данного класса непригодны, поскольку никель весьма аллергенный.

Аустенитные сплавы

Межкристаллической коррозией называют внутреннее окисление металла, проходящее по границам отдельных зерен стали. По этой причине разрушение изделия остается незаметным, при сохранении характерного блеска узнать о коррозии можно только по звуку при ударах

Что примечательно, каким бы ни был химический состав аустенитных сплавов, они всегда немагнитные. Но при любой холодной деформации, например, под воздействием механических воздействий, они начинают приобретать небольшой магнитный потенциал. Это происходит по той причине, что при нарушении кристаллической решетки аустенит на некоторых участках превращается в феррит. Прочность таких сплавов достигается путем предельного уменьшения содержания углерода, впрочем, до определенного порога – не ниже 0,04 %, по причине присутствия в растворе никеля. В таких условиях легко образуются карбиды, то есть химическое соединение хрома с углеродом. Иногда в сплав добавляют связанный азот, благодаря которому возникают карбнитриды, также повышающие прочность стали. Примером может послужить марка нержавейки Х17АГ14.

Промежуточные сплавы имеют несколько иные характеристики, в частности, аустенитно-мартенситные. Они имеют более низкую коррозиестойкость, чем просто аустенитные структуры, но намного прочнее. При этом данный класс довольно тяжело поддается термообработке, вернее, воздействие на него высокими температурами связано с некоторыми сложностями. Зачастую такие сплавы со свойствами мартенситов требуют не только закалки, но также обработки холодом с последующим отпуском металла. Однако при такой технологии прочность нержавейки переходного класса повышается в несколько раз. В производстве элементов для тяжелых несущих конструкций стали, вроде марок 09X15Н8Ю или 20Х13Н4Г9, не используются, их применяют только для изготовления легких конструкций.

Особенность аустенитно-ферритных сплавов заключается в том, что они содержат сравнительно небольшое количество никеля в сравнении с другими промежуточными классами. За счет этого такие стали, как 12Х21Н5Т или 08Х22Н6Т, имеют гораздо лучшую свариваемость, швы при соединении металлопроката из них получаются очень качественные и прочные на деформацию. Обеспечивается это влиянием ферритной структуры, обеспечиваемой элементами Сr, Ti, Mo или Si. Однако следует отметить, что по той же причине, то есть из наличия ферритообразующих включений, в значительной степени ухудшается жаропрочность, равно как и пластичность. Высокой остается только механическая прочность.

В марках сталей обычно присутствуют буквы кириллицы, они тождественны латинским обозначениям, в частности Ю означает "ювенал" – алюминий, причем так он маркируется только в сталях. Другие элементы могут означаться также не по первым буквам, например кремний – С, от силициума, а марганец – Г, поскольку эта буква имеется в середине слова.

tutmet.ru

Химический состав стали

Свойства стали определяются ее химическим составом. Содержащиеся в стали компоненты можно разделить на четыре группы: постоянные (обыкновенные), скрытые, случайные и специальные (легирующие).

К постоянным примесям относятся углерод, марганец, кремний, сера и фосфор.

Углерод — неотъемлемая составляющая часть стали, оказывающая на ее свойства основное влияние. Его содержание в выпускаемых марках стали колеблется от 0,1 до 1,4 %. С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.

Марганец относится к постоянным примесям, если его содержание составляет менее 1 %. При содержании более 1 % он является легирующим элементом.

Марганец является раскислителем стали. Он повышает ее прочность, износостойкость и прокаливаемость, снижает коробление при закалке, улучшает режущие свойства стали. Однако ударная вязкость при этом снижается. Сталь, содержащая 11—14 % марганца (сталь Гатфильда), отличается высокой износостойкостью, так как способна упрочняться при пластической деформации. Сталь, содержащая 10—12 % марганца, становится немагнитной.

Кремний также является раскислителем стали и легирующим элементом, если его содержание превышает 0,8 %. Он увеличивает прочностные свойства стали, предел упругости, коррозионную и жаростойкость, однако снижает ее ударную вязкость.

Сера и фосфор являются вредными примесями. Так, сера делает сталь «красноломкой», а фосфор, повышая твердость стали, снижает ее ударную вязкость и вызывает «хладноломкость», т. е. хрупкость при температурах ниже —50°C.

Скрытые примеси представляют собой кислород, азот и водород, частично растворенные в стали и присутствующие в виде неметаллических включений (окислов, нитридов). Они являются вредными примесями, так как разрыхляют металл при горячей обработке, вызывают в нем надрывы (флокены).

Случайные примеси — это медь, цинк, свинец, хром, никель и другие металлы, попадающие в сталь с шихтовыми материалами. В основном они ухудшают качество стали.

Специальные добавки (легирующие элементы) вводятся в сталь с целью придания ей тех или иных свойств. К ним относятся марганец, кремний, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, бор, ниобий, цирконий, селен, теллур, медь и др.

Наиболее распространенным легирующим элементом является хром. Он препятствует росту зерна при нагреве стали, улучшает механические и режущие свойства, повышает коррозионную стойкость, прокаливаемость, способствует лучшей работе на истирание. При содержании хрома свыше 10 % сталь становится нержавеющей, но одновременно теряет способность воспринимать закалку.

Никель повышает прочность стали при сохранении высокой вязкости, препятствует росту зерна при нагреве, снижает коробление при закалке, увеличивает коррозионную стойкость и прокаливаемость. При содержании никеля 18—20 %-я сталь становится немагнитной, жаростойкой, жаропрочной и коррозионностойкой.

Молибден измельчает зерно стали, значительно повышает ее прокаливаемость, стойкость против отпуска, вязкость при низких температурах, ковкость и абразивную стойкость, снижает склонность к отпускной хрупкости.

Вольфрам повышает твердость и режущие свойства стали, прокаливаемость, прочность и вязкость. Стали с содержанием 9 и 18 % вольфрама известны как быстрорежущие.

Ванадий создает мелкозернистую структуру стали, задерживает рост зерна при нагреве, повышает ударную вязкость, устойчивость против вибрационных нагрузок, прокаливаемость и стойкость против отпуска.

Бор увеличивает прокаливаемость стали, повышает ее циклическую вязкость, способность гасить колебания высокой частоты, снижает склонность к необратимой отпускной хрупкости.

Ниобий предотвращает межкристаллическую коррозию, улучшает сварочные свойства, повышает пластичность, прочность и ползучесть стали при высоких температурах.

Цирконий повышает предел выносливости стали на воздухе и в коррозионных средах, улучшает ее прочностные характеристики при повышенных температурах и ударную вязкость при температуре ниже нуля, замедляет рост зерна, повышает прокаливаемость и свариваемость.

Медь повышает коррозионную стойкость стали, а селен и теллур — механические свойства стали и особенно ее пластичность.

perwerts.ru

Что же добавляют в сталь?

     Сегодня хочу осветить химические элементы, входящие в состав стали и придающие ей какие-либо полезные качества.

ОБНОВЛЕНО! Внизу статьи представлены пробные варианты таблицы по составу и маркам стали. Остальные в процессе сборки и будут добавлены позже.    

Итак, вот перечень часто используемых химических элементов (после скобок указано обозначение элемента в маркировке стали):

азот ( N ) — А
алюминий ( Аl ) — Ю
бериллий ( Be ) — Л
бор ( B ) — Р
ванадий ( V ) — Ф
висмут ( Вi ) — Ви
вольфрам ( W ) — В
галлий ( Ga ) — Гл
иридий ( Ir ) — И
кадмий ( Cd ) — Кд
кобальт ( Co ) — К
кремний ( Si ) — C
магний ( Mg ) — Ш

марганец ( Mn ) — Г
свинец ( Pb ) — АС
медь ( Cu ) — Д
молибден ( Mo ) — М
никель ( Ni ) — Н
ниобий ( Nb) — Б
селен ( Se ) — Е
титан ( Ti ) — Т
углерод ( C ) — У
фосфор ( P ) — П
хром ( Cr ) — Х
цирконий ( Zr ) – Ц

Теперь разберем подробнее влияние тех или иных элементов на вещество, в нашем случае сталь. Химический состав сталей (таблица).

Углерод — главный элемент, определяющий свойства стали. Именно благодаря углероду сталь способна принимать закалку. От количества углерода зависит твёрдость и прочность стали для ножей, хотя он же повышает склонность стали к коррозии. Относительно стали для ножей, нас интересуют стали с количеством углерода не меньше 0.6%. Именно с этой отметки сталь может принимать закалку на нормальную твёрдость. Правда производители часто используют стали и с количеством углерода 0.4%-0.6%, как правило, на недорогих простеньких ножах, на кухонных ножах.

Хром — следующий по распространённости в сталях элемент. Хром помогает сплаву сопротивляться коррозии и делает её нержавеющей. Официально сталь считается «нержавеющей» если хрома в ней не меньше 14%. Помимо своего главного свойства Хром негативно влияет на прочность стали.

Молибден — используется как легирующая добавка, повышающая жаропрочность и коррозионную стойкость стали. Молибден усиливает действие хрома в сплаве, улучшает прокаливаемость, делает состав более равномерным. По сути, улучшает почти все свойства сплава. Молибден обязательный элемент в быстрорежущих сталях. Стали с добавкой молибдена используются для изготовления деталей работающих в агрессивных средах и при высокой температуре.  То есть в химической промышленности, в деталях реактивных двигателей. Нож из лопатки самолётной турбины уже стал притчей. Те стали, из применяемых в производстве ножей, в составе которых имеется этот элемент, зарекомендовали себя с наилучшей стороны. Пример-сталь 154CM она же ATS-34 с содержанием молибдена 4%  по идее она и предназначалась для тех самых лопаток турбин.

Ванадий — замечательный элемент, способный улучшать свойства многих сплавов. Улучшает прочность и значительно повышает износостойкость стали. Его добавляют во всё те же быстрорежущие и инструментальные стали. Для нас это означает, что сталь для ножа будет дольше держать заточку при резе картона, войлока, канатов и других подобных материалов. Но нож будет тяжелее точиться. Пример-стали CPM S30V, CPM S90V и подобные им.

Вольфрам — металл с самой высокой температурой плавления из всех металлов. Используется во множестве всевозможных приборов и отраслей, от лампочек до ядерных реакторов. Вольфрам, неотъемлемый элемент в составе быстрорежущих сталей. Помимо устойчивости к температурам, сталь для ножа получает свойства, положительно влияющие на твёрдость и износостойкость.

Кобальт — ещё один металл с множеством применений, от корма для коров до космических кораблей. В некоторых количествах кобальт добавляется в быстрорежущие стали и твёрдые сплавы. Из сталей, применяемых в ножах, кобальт содержат стали VG-10 и N690 в количестве около 1.5%.

Азот — применяют в сталях как заменитель углерода и никеля. Азот повышает стойкость к коррозии и износостойкость стали для ножа. И позволяет стали с очень низким содержанием углерода принимать закалку. Например японская сталь Н1 в которой всего лишь 0.15% углерода, но 0.1% Азота позволяют закалять её на 58HRC и делают её практически абсолютно нержавеющей.

Никель — так же повышает коррозионную стойкость стали и способен несколько повысить прочность. Много никеля присутствует во всё той же стали Н1.

Кремний — необходимый в производстве сталей элемент. Он удаляет из металла кислород. Ну и заодно несколько повышает прочность и коррозионную стойкость.

Сера – это совсем не полезный элемент, она снижает механические свойства стали и уменьшает стойкость стали к коррозии. Поэтому серы в сталях обычно очень мало, лишь то, что не удалось удалить из стали в процессе её производства. Однако сера может быть добавлена, чтобы повысить обрабатываемость каких-нибудь жутко износостойких сталей.

Фосфор — вредная примесь, в стали ему не место, а особенно в стали для ножа, ибо он повышает хрупкость и снижает механические свойства стали. Фосфор стараются удалить из стали.

Марганец — как полезный и нужный элемент применяется на стадии выплавки стали, способен повышать твёрдость стали. Из сталей со значительным содержанием марганца делают всякие брутальные и монстрообразные вещи — рельсы, танки, сейфы.

Титан — может добавляться в сплавы для повышения прочности, стойкости к коррозии и температурам. В ножевых сталях титан, как добавка в принципе не актуален, так как количества его там ничтожные.

Ниобий — повышает коррозионную стойкость и износостойкость стали. Ниобий в сталях (или стали с ниобием) жуткая экзотика, но его можно найти в сплаве CPM S110V.

Алюминий — повышает жаростойкость и стойкость к окалине.

Медь — увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.

Церий — повышает прочность и особенно пластичность.

Цирконий — оказывает особое влияние на величину и рост зерна в  стали , измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

Лантан — уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в  стали, улучшают качество поверхности, измельчают зерно.

Цезий — способствуют уменьшению содержания серы в  стали , улучшают качество поверхности, измельчают зерно.

Неодим — уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в  стали.

Кстати, вот интересная информация по применению никелевых катодов и анодов при никелировании никелевые аноды

Далее приведу наиболее удобную форму представления подробного химического состава основных марок отечественной и зарубежной стали. Нажимаем на картинку и получаем увеличенное изображение. Картинки пронумерованы в соответствии с очередностью представления в общей таблице.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

 

 

 

 

Обновлено! По Вашим просьбам я начал формирование сводной таблицы по маркам стали. На данный момент представляю Вам несколько образцов штамповой инструментальной стали. Для удобного использования данных таблиц — скачиваем их. В последствии обязательно сделаю один общий архив.

Х12МФ
Х6ВФ
6ХВГ
5ХНМ

spiculo.ru

Сталь Википедия

Сталь (от нем. Stahl)[1] — сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержащий не менее 45 % железа, и в котором содержание углерода находится в диапазоне от 0,02 до 2,14 %, причём содержанию от 0,6 % до 2,14 % соответствует высокоуглеродистая сталь. Если содержание углерода в сплаве превышает 2,14 %, то такой сплав называется чугуном. Углерод придаёт сплавам прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью[2].

ru-wiki.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *