Лекція №31

Навчальні питання:

1. Вплив кисню, сірки та фосфору на сталь.

2. Роль марганцю в сталі.

3. Класифікація вуглецевих сталей за якістю.

Навчальне питання 1. Вплив кисню, сірки та фосфору на сталь.

До складу звичайних вуглецевих сталей окрім заліза і вуглецю завжди входять в невеликій кількості приміси, присутність яких в сталі викликається умовами її отримання. Ці домішки називаються нормальними і до них відносяться кремній, марганець, фосфор, сіра і кисень. Розглянемо їх вплив на механічні властивості сталей.

Вплив кисню повітря, що нагнітається на металеві частини обладнання, особливо при наявності солоної води і сірководню, часто призводить до посиленої корозії устаткування в експлоатаціонних свердловинах, передчасного висновку його зладу і скупченню грязі на забої свердловин у вигляді продуктів корозії труб.

Механізм впливу кисню на сталь в умовах пароводяного тракту котлів складний, і думки дослідників з даного питання вельми суперечливі.

Зменшення впливу кисню на нестійкі до окислення речовини можебути досягнуто використанням вакууму, герметичної упаковки; при виготовленні ін'єкційних ЛФ - заміною повітря в упаковці інертним газом, найчастіше азотом і вуглекислим газом.

Під впливом кисню і температури відбувається зміна хімічного складубітуму, що призводить до зміни його властивостей, яке проявляється в зменшенні пластичності і підвищення крихкості матеріалу. Ці зміни характеризуються зростанням температур розм'якшення, крихкості, склування і текучості бітуму.

Спектр метального радикала,адсорбованого на поверхні силікагелю. Під впливом кисню радикали, утворені при опроміненні, перетворювалися на перекисні, причому концентрації останніх були в кілька разів вище, ніж вихідна концентрація первинних радикалів. Це вказує, по-видимому,на те, що при опроміненні у вакуумі утворюються радикали декількох сортів, причому частина з них має настільки широкими лініями ЕПP, Що їх не можна ідентифікувати до реакції з молекулярним киснем.

Складність механізму впливу кисню на сталь не дозволяє з достатньою точністю визначити розрахунковим шляхом дозу окислювача при виконанні окисного водного режиму. Оптимальна концентраціяокислювача, що забезпечує створення надійної захисної плівки на поверхнях нагріву, повинна бути перевірена в умовах експлуатації з плином часу. Крім того, необхідно сформулювати конкретні вимоги, яким повинна відповідати оптимальна концентраціяокислювача: створення щільної захисної плівки на поверхні перлітних сталей; відсутність корозійного руйнування аустенітних сталей; забезпечення щодо низького вмісту заліза в теплоносії всіх поверхонь нагріву.

У результаті впливукисню на деталі утворюється оксид заліза FeO. Цей оксид виробляє обезуглероживание: він забирає з поверхні деталей вуглець, який з'єднується з киснем, утворюючи вже знайому нам окис вуглецю СО. Щоб уникнути роз'їдання, на поверхню розігрітійванни закидають мелкодробленим деревне вугілля, яке не допускає розчинення кисню повітря у ванні. З цією метою в розігріту ванну закидають товчений феросиліцій (1% від ваги солі у ванні), який пов'язує оксид заліза в шлак, що осідає на дно ванни.

Вплив сірки. Сірка, так само як і фосфор, належить до шкідливих домішок. Вона не розчиняється у фериті і знаходиться в сталі у вигляді хімічної сполуки FеS, створюючої із залізом легкоплавку евтектику з температурою твердіння около 985°С. Тверднучи в останню чергу, сірчисте залізо у складі евтектики розташовується по межах зерен, роз’єднуючи їх крихкою і неміцною оболонкою, що зменшує міцність стали і підвищує її крихкість. При нагріві стали до світло-червоного каління ці оболонки частково розплавляються, чим порушується міцний зв′язок між зернами.

Тому сталь з підвищеним вмістом сірки стає крихкою при температурах червоного каління (красноломкость) і непридатною для гарячої механічної обробки (плющення, кування і т.д.). Сірка знижує корозійну стійкість і сваріваємость сталі. Зміст сірки не повинен перевищувати 0,055% для мартенівської і 0,065% для бессемерівської сталі.

Вплив фосфору. Фосфор належить до шкідливих домішок. У сталі фосфор знаходиться в стані твердого розчину у фериті. Утворюючи із залізом твердий розчин заміщення, він сильно спотворює кристалічну решітку фериту, у зв′язку з чим підвищуються його твердість і міцність і знижується пластичність. Особливо істотно підвищується крихкість стали при змісті фосфору більше 0,2%.

Проте унаслідок того що фосфор є сильноліквірующим елементом, зміст його в сталях не повинен перевищувати 0,05%. Фосфор сприяє зростанню зерен, що також погіршує механічні властивості сталі.

Навчальне питання 2. Роль марганцю в сталі.

Марганець — важкий крихкий метал сріблясто-білого кольору, легко з’єднується з киснем, нерозчинний у воді і добре розчинний у кислотах. Температура плавлення — 1260°С, кипить при температурі 1900°С.

Марганець широко використовується у промисловості при виготовленні високоякісних сортів металевих сплавів: феромарганцю (до 80% марганцю), дзеркального чавуну (до 15% марганцю) та легованої сталі. Остання має високу міцністю і значну пружність. Виділяють малолеговану сталь, що використовується для виготовлення залізничних рейок, багатьох машин, зовнішніх металевих конструкцій і містить 0,9–1,6% марганцю; та надзвичайно стійку до зовнішніх впливів високолеговану сталь, що містить 15% марганцю і 1,25% вуглецю. В чорній металургії витрата марганцю на 1 тонну виплавленої сталі становить 8–9 кг. Марганець також входить до складу якісних електродів в електрозварюванні.

Марганець дуже токсичний, тому в усіх виробництвах, де він застосовується, а також при його видобутку з руд є потенційна небезпека виникнення марганцевих інтоксикацій. Гранично допустима концентрація (ГДК) у повітрі робочих приміщень для аерозолю конденсації становить 0,05 мг/м3, для аерозолю дезінтеграції — 0,3 мг/м3 (у перерахунку на MnO2). ГДК марганцю у зварочних аерозолях при його вмісті до 20% становить 0,2 мг/м3, при вмісті від 20 до 30% — 0,1 мг/м3.

Гострі отруєння чистим марганцем не спостерігаються. У виробничих умовах можливі гострі інтоксикації лише його солями — при вдиханні повітря з високою концентрацією хлориду та борату марганцю, проте зустрічаються вони рідко. При цьому в легких випадках відмічаються подразнення слизової оболонки дихальних шляхів, очей, кашель, головний біль. У тяжких випадках раптово виникають розлади кровообігу, затьмарюється свідомість, з’являється різка задишка.

В умовах виробництва практичне значення мають хронічні інтоксикації марганцем. У цьому плані найбільш небезпечними є операції розмелу і просівання розмеленої руди, що супроводжуються значним утворенням дрібнодисперсного пилу марганцю, а також вдихання його парів (димів), що можуть утворюватися при плавці сталі зі вмістом марганцю.

В організм марганець потрапляє через дихальні шляхи, у меншій мірі — через травний канал і шкіру. Оксиди марганцю швидко всмоктуються. У крові марганець циркулює у вигляді нестійкого комплексу з білками сироватки і може швидко залишати русло. Виділяється із організму повільно через травний канал із калом, у меншому ступені — виводиться нирками із сечею, зі слиною, молоком матері під час лактації. Має кумулятивну дію, відкладається у вигляді малорозчинних фосфористих сполук у паренхіматозних органах, кістках, залозах внутрішньої секреції, головному та спинному мозку.

Для усунення окислів заліза, які утворюються при виробництві литої сталі, звичайно вводять в рідкий метал деяку кількість марганцю, у вигляді дзеркального чавуну або феромангана. Частина марганцю дзеркального чавуну розкислює окисли і переходить в шлак, частина ж залишається в сталі у вигляді сполуки з залізом або просто як механічна домішка. Таким чином, сталь завжди містить деяку кількість марганцю. Взагалі марганець збільшує твердість, підвищує межу пружності і опір розриву, а крім того ущільнює сталь. В маловуглецевих сортах стали домішка марганцю збільшує навіть в'язкість металу, але при значному вмісті вуглецю марганець повідомляє йому крихкість. За дослідам Осмонда, при загартуванню стали, марганець діє замедляющим чином на перехід заліза β в залізо α (см. Критичні точки заліза), внаслідок чого він збільшує закаливающую здатність сталі. Ця здатність посилюється в присутності вуглецю, але разом з з тим сталь втрачає свою в'язкість. Вміст марганцю в твердих інструментальних сортах стали не повинно перевищувати 0,5%; в середніх -0,75%; в м'яких -1%. При більш значному вмісті марганцю сталь отримує деякі особливі властивості і під назвою М. сталі має спеціальні застосування. З дослідів, вироблених англ. металургом Гадфільда ​​над сплавами заліза з марганцем (від 2 1/2 до 22%) виявилося, що М. сталь, що містить від 3-5% марганцю, до того тендітна, що від ударів ручного молотка розбивається в дрібний порошок; в межах від 5-6% володіє, при обробці, найбільшою твердістю. З подальшим збільшенням вмісту марганцю твердість стали знижується і досягає свого мінімуму при 10%. Потім твердість знову послідовно зростає до другого максимуму, який спостерігається при 22%. Особливими властивостями відрізняється сплав з 14% марганцю. Він при литві надзвичайно рідкий і відмінно заповнює форми, швидко твердне, дає велику лінійну усадку, глибоку усадкову раковину (см. Лита сталь), застигає щільно, без бульбашок, і не піддається ліквації. При невисокому нагріванні відмінно кується, але насилу зварюється.

Навчальне питання 3. Класифікація вуглецевих сталей за якістю.

Залежно від вмісту шкідливих домішок сірки та фосфору вуглецеві сталі поділяють на:

· сталі звичайної якості (S<0.05 %, Р<0,04 %);

· якісні сталі (S<0.04 %, Р<0,035.. .0,04 %);

· високоякісні сталі (S<0.02 %, Р<0,03 %).

Сталі звичайної якості (будівельні) - найбільш дешеві і тому їх використовують у мосто та суднобудуванні у вигляді зварних, клепаних чи болтових конструкцій (балки, швелери, листи, труби, корпуси суден, сосудів, апаратів, каркаси парових котлів, конструкції підйомних кранів, драг та ін.). Маркування таких сталей починається з вітер Ст (сталь), а далі - цифри від 0 до 6. Ці цифри позначають умовний номер марки сталі, залежно від хімічного складу і механічних властивостей. Чим більша цифра, тим більше у сталі вуглецю і тим вища міцність. Для позначення ступеня розкислення сталі після цифри ставлять індекси: кп - кипляча; сп - спокійна; нс - напівспокійна, наприклад: Ст1сп, СтЗкп, Ст6нс. Зварні конструкції виготовляють переважно зі спокійних чи напівспокійних низьковуглецевих сталей типів Ст1, Ст2, СтЗ. Підвищити міцність сталей можна за рахунок термічної обробки.

Якісні сталі залежно від призначення поділяють на конструкційні та інструментальні.

Конструкційні сталі використовують для виготовлення деталей, вузлів машин та механізмів у машинобудуванні. Маркуються вони цифрами 08, 10, 15, 20...80, 85. Цифри вказують середній вміст вуглецю у сотих частках відсотка.

Для конструкційних сталей, на відміну від маркування сталей звичайної якості, перед цифрами вмісту вуглецю пишеться чи вимовляється слово "сталь" повністю.

Низьковуглецеві сталі 08, 08кп, 10 характеризуються низькою міцністю, але високою пластичністю. Тому без термічної обробки використовуються для малонавантажених деталей (прокладки, шайби, кузови легкових автомобілів тощо), елементів зварних конструкцій. Тонколистову холоднокатану низьковуглецеву сталь використовують для холодного штампування. Сталі 15, 20, 25 використовують для цементованих деталей, поверхня яких насичена вуглецем для підвищення поверхневої твердості та зносостійкості. Такими деталями можуть бути малонавантажені шестірні, шпинделі, втулки, кулачкові валки, товкачі клапанів та ін. Ці сталі використовують у вигляді прокату, поковок, труб, листів, дроту, стрічки для відповідальних зварних конструкцій.

Середньовуглецеві сталі 30, 35,40,45, 50 після термічної обробки, поверхневого гартування використовують для різноманітних деталей в усіх галузях машинобудування (розподільні вали, фрикційні диски, шестірні, шатуни, шпинделі). Сталі мають достатньо високий комплекс механічних властивостей.

Сталі 60...85 мають, завдяки значному вмісту вуглецю, високу міцність, твердість, пружність. З них виготовляють деталі, які після відповідної термічної обробки працюють в умовах тертя під дією високих вібраційних навантажень (пружини, ресори, прокатні валки тощо).

Інструментальні сталі ідуть на виготовлення різального, штампу­вального та вимірювального інструменту. Для виконання цієї функції сталь для такого інструменту повинна бути твердою та зносостійкою (а також, бажано, міцною та в'язкою). Важливо, щоб твердість інстру­менту була вищою від оброблюваного матеріалу. Вуглецеві інстру­ментальні сталі маркуються літерою У і цифрою, що вказує на вміст вуглецю у десятих частках відсотка: У7, У8, У10, У11, У12, У13, тобто інструментальні сталі - високовуглецеві. їх використовують для інстру­менту невеликого розміру (діаметром до 15...ЗО мм) через малу прогартовуваність, що працює у неважких умовах, при малих швидкостях обробки.

Сталь У7 - для деревообробного інструменту, зубил, кернів, ко­вальських штампів, клейм, що працюють в умовах ударів та поштовхів і тому повинні мати підвищену в'язкість, твердість допускається невисока (50...52 НRC).

Сталь У8 - для інструменту, який зазнає ударів і потребує високої твердості: матриці, пуансони, ножиці по металу, пневматичний інструмент.

Сталі У9, У10 - для металорізального інструменту, який не зазнає сильних динамічних ударів і потребує максимальної твердості: різці, фрези, свердла, мітчики, плашки, медичний інструмент, ножі, ножівки;

Сталі У11, У12 та У13 - для інструменту з найвищою твердістю та зносостійкістю: напилки, зубила для насікання напилків, граверний інструмент, волочильні дошки.

Якщо в кінці марки сталі стоїть літера А, то це означає, що сталь - високоякісна (наприклад, У8А, У10А, У12А).

Інструмент для отримання необхідних властивостей підлягає термічній обробці - гартуванню з наступним відпуском.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.