Обеспечение качества стали

Качество стали определяется технологией ее выплавки, дополнительной внепечной обработкой жидкой стали и переплавом слитков.

Основная масса углеродистой стали выплавляется в мартеновских печах, кислородных конвертерах, а также в дуговых электропечах. Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные не разделяются по технологии выплавки и требования к ним определяются ГОСТ 380-71 и ГОСТ 1050-88 соответственно.

Углеродистые стали общего назначения производят в виде разнообразной горячекатаной продукции - листов, балок, прутков, труб, швеллеров, а также в виде кованых и литых заготовок, в том числе полученных на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Как наиболее дешевые, эти стали выплав­ляют по нормам массовой технологии и в них допускается наиболее высокое (по сравнению с качественными и высококачественными сталями) содержание вредных примесей, повышенная загрязненность неметаллическими включениями и сравнительно высокое содержание газов - азота и водорода. Стальной лист представляет собой особенно ценный для машиностроения вид продукции сталеплавильных заводов. Качество листа из углеродистой стали общего назначения и качественной конструкционной стали регламентируется ГОСТ 16523-70.

При испытаниях на изгиб листы не должны иметь надрывов, трещин, расслоений. На поверхности листов не допускаются металлургические дефекты (закаты, плены, вкатанная окалина и т. д.).

Качество стали определяется содержанием вредных примесей, однород­ностью химического состава и структуры. Вредными примесями являются, прежде всего, сера, фосфор, мышьяк, кислород, азот и водород.

Кислород и сера практически нерастворимы в железе и присутствуют в стали в форме неметаллических включений - оксидов, сульфидов и оксисульфидов. Неметаллические включения представляют собой твердые частицы с размерами от 1мкм до десятков микрометров. Крупные частицы с размерами от 20мкм и выше снижают прочность, контактную выносливость и другие свойства стали. Эти включения оказываются опасными концентраторами напряжений и при знакопеременных нагрузках деталей уменьшают сопротивление усталости. Неметаллические включения понижают пластичность и вязкость в поперечном направлении по отношению к направлению прокатки.

Фосфор и мышьяк находятся в твердом растворе, существенно уменьшают пластичность феррита и способствуют хрупкому разрушению, в особенности при отрицательных температурах.

Водород находится в твердом растворе. Вредное действие растворенного водорода проявляется в понижении пластичности стали и склонности металла к хрупкому разрушению под действием напряжений. Отрицательный эффект сильнее проявляется в легированных сталях, поэтому в них содержание водорода не должно превышать 1,5…2,8см³/г, а в углеродистых сталях допускается содержание водорода до 3…4см³/г стали.

Азот частично находится в растворе, а частично связан в нитриды, которые присутствуют в стали в форме неметаллических включений. Вредное действие растворенного азота проявляется в повышении предела текучести и временного сопротивления при одновременном снижении пластичности вследствие старения. Содержание азота в сталях составляет 0,005…0,02%, оно выше в легированных сталях, выплавленных в дуговых электропечах. Чем больше азота в растворе, тем сильнее проявляются эффекты старения, и уменьшается срок технологической годности стального листа и ленты для операций холодной обработки давлением. Перевод азота из раствора в нитриды или карбонитриды делает сталь нестареющей. Обычно для этого пользуются малыми добавками алюминия или ванадия (стали 08Ю, 08Фкп и др.).

Качество стали зависит также от характера раскисления при выплавке. Раскисление - это процесс удаления кислорода из жидкой стали, что совершенно необходимо для обеспечения прочности и предупреждения хрупкого разрушения при горячем деформировании. Различают спокойные, полуспокойные и кипящие стали.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием, алюминием и содержание кислорода в них снижается до 0,005…0,006%, а в высококачественных сталях даже до 0,002…0,003%. Эти стали затвердевают спокойно, без выделения газов.

Кипящие стали раскисляют марганцем до содержания кислорода 0,02…0,04% и разливают на слитки. Кислород, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде угарного газа СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, чем и объясняется ее название.

Высококачественные и качественные стали выпускают только спокойными, а углеродистые стали с содержанием до 0,25% С выплавляют спокойными, полуспокойными и кипящими. В обозначениях марок стали добавляются соответственно буквы сп, пс и кп.

Кипящие стали дешевле спокойных, при их выплавке выход годного увеличивается на 3…5% по сравнению со спокойными сталями, кроме того, экономятся ферросплавы. Вторым преимуществом кипящих сталей является их повышенная пластичность, так как они содержат очень мало кремния (не более 0,07%), и пониженное содержание углерода.

Недостатками кипящих сталей являются склонность к старению, ликвация, нестабильность свойств из-за трудности управления процессом кипения и более высокий порог хладноломкости по сравнению со спокойными сталями. Несмотря на указанные недостатки, до половины объема выпуска низкоуглеродистых сталей - кипящие. Из кипящей стали изготовляют фасонный прокат (балки, швеллеры, уголки), толстый и тонкий лист, сварочную и вязальную проволоку.

Листы из кипящей стали используют для автомобилей (08кп, 10кп, 15кп, 20кп - ГОСТ 1050-74), жести для консервирования и изготовления эмалированных изделий (08кп, 08Фкп – ГОСТ 9045-80), для судостроения (Ст1кп, Ст2кп, Ст4кп - ГОСТ 5521-86), из кипящей стали изготовляют сварочную проволоку (Св-08, Св-08А, Св-08АА - ГОСТ 2246-70).

Полуспокойная сталь имеет повышенный выход годного по сравнению со спокойной и менее выраженные недостатки по сравнению с кипящей сталью.

Стали повышенной обрабатываемости резанием по легкости обработки превосходят обычные углеродистые стали. Это свойство обеспечивается металлургическими средствами, а именно добавками небольших количеств элементов, которые сами или благодаря образованию соединений уменьшают трение между стружкой и инструментом в зоне резания и, кроме того, уменьшают пластичность металла так, что стружка становится сыпучей и легко отделяется.

Для улучшения обрабатываемости резанием в сталях, прежде всего, увеличивают содержание серы, а также дополнительно вводят селен, фосфор, свинец, кальций, теллур.

Сернистые стали повышенной обрабатываемости резанием А11, А12, А20, А30, А35, А40Г содержат 0,08…0,30% серы и 0,05…0,15% фосфора. Сернистые стали повышенной обрабатываемости резанием используются для мелких крепежных деталей и малонагруженных деталей сложной формы, где важны чистота поверхности и точность размеров.

Для повышения качества стали применяют внепечную обработку жидкого металла, микролегирование и переплав слитков. Наиболее экономичны микролегирование и внепечная обработка. Переплав увеличивает стоимость стали на 40…50%, его применяют при изготовлении наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей массой до 50т.

Внепечная обработка включает в себя следующие процессы: вакуумирование, обработку синтетическим шлаком, продувку инертным газом, обработку активными металлами (кальцием, редкоземельными металлами).

Вакуумирование имеет целью снизить содержание газов в стали, выровнять химический состав и температуру стали перед разливкой, использовать усиление восстановительной способности углерода для уменьшения содержания оксидов.

Продувка с активными металлами эффективно очищает сталь от различных вредных примесей, засоряющих сталь при переработке низкосортного лома.

Продувка аргоном снижает содержание газов в стали, а также оксидов и выравнивает химический состав и температуру перед разливкой, что повышает качество слитка.

Обработка синтетическим шлаком предназначена для глубокой очистки от серы и раскисления стали. Для этого применяют жидкий шлак с высоким содержанием СаО. Жидкий шлак и сталь активно перемешивают, добиваясь получения тонкой эмульсии, что увеличивает площадь контакта обоих жидких расплавов. Благодаря обширной поверхности контакта за короткий срок образуется сульфид СаS, нерастворимый в стали, и содержание кислорода снижается до требуемого уровня.

Микролегирование - это добавки в сталь активных легирующих элементов (Nb, V, Тi, Мо) в количествах ~ 0,1% для повышения прочности. Микролегирование в сочетании с контролируемой прокаткой обеспечивает повышение прочности углеродистых и низколегированных сталей без термической обработки.

Переплав сталей обеспечивает потребности машиностроения в особо чистом металле, отличающемся однородностью механических свойств. После переплава значения характеристик механических свойств вдоль и поперек направления прокатки одинаковы.

Повышение качества деталей машин при сокращении трудоемкости и от­ходов металла можно добиться при переходе на порошковую металлургию. При изготовлении деталей из металлических порошков отпадают проблемы качества, связанные с ликвацией, растворенными газами и неметаллическими включениями. Порошковые детали однородны по структуре и механическим свойствам. Обычная технология прессования деталей из порошков и последующего спекания не позволяет получить в порошковом материале такую же прочность, какую имеет обычный прокатанный металл. Однако горячая ковка деталей из порошков в штампах дает возможность получать детали с высокой плотностью и повышенными механическими свойствами.