Изучение микроструктур углеродистых сталей в отожжённом состоянии

6.

Содержание углерода оказывает  существенное влияние на свойства стали. С повышением содержания углерода прочностные  характеристики повышаются, пластичность и ударная вязкость снижаются. С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог  хладноломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная  проницаемость и плотность магнитной  индукции.

Углерод оказывает влияние и  на технологические свойства. Повышение  содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

 

7.

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 исходным сырьём - чугуном.  Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS - сульфид железа. при взаимодействием с железом образуется эвтектика

( Fe + FeS ) с температурой плавления 9880⁰С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 9000⁰С сталь 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 16200⁰С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости. 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 склонностью к ликвации (от лат. liquatio — разжижение, плавление), 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, является 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 выплавке.

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 до 10-2 - 10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

8.

Качественная конструкционная углеродистая сталь. Эта сталь отличается от стали обыкновенного качества меньшим содержанием вредных примесей, суженными пределами содержания углерода, кремния и марганца.

 Сталь качественная конструкционная  углеродистая поставляется в  виде поковок и проката с последующей термической обработкой, обладает низкой прокаливаемостью и применяется в основном для производства сварных конструкций и деталей машин, подвергающихся действию механических нагрузок.

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора (P) и серы (S). Фосфор — придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость. Содержание вредных примесей в стали:

Обыкновенного качества — P и S — до 0.05 % (маркировка Ст).

Качественная — P и S — до 0.035 % (маркировка Сталь).

Высококачественная — P и S — до 0.025 % (маркировка А в конце марки).

Особовысококачественная — Р и S — до 0.015 % (маркировка Ш в конце  марки).

Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества: Широко применяются в строительстве и машиностроении, как наиболее дешёвые, технологичные, обладающие необходимыми свойствами при изготовлении конструкций массового назначения. В основном эти стали используют в горячекатанном состоянии без дополнительной термической обработки с ферритно-перлитной структурой. В зависимости от последующего назначения конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют на три группы: А, Б, В.

Стали группы А: Поставляются с определёнными  регламентированными механическими свойствами. Их химический состав не регламентируется. Эти стали применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке — ковке, горячей штамповке, термической обработке и т. д. В связи с этим механические свойства горячекатаной стали сохраняются.

Стали группы Б: Поставляются с определённым регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Эти стали применяются в изделиях, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от их химического состава, а конечные механические свойства определяются самой обработкой.

Стали группы В: Поставляются с регламентируемыми  механическими свойствами и химическим составом. Эти стали применяются  для изготовления сварных конструкций. Их свариваемость определяется химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Такие стали применяют для более ответственных деталей.

По степени раскисления: Степень  раскисления определяется содержанием  кремния (Si) в этой стали. По степени раскисления углеродистые стали обыкновенного качества делятся на:

спокойные (СП) — 0.012-0.03 % (Si)

полуспокойные (ПС) — 0.05-0.07 % (Si)

кипящие (КП) — более 0.07 % (Si)

Маркировка

Основные марки конструкционных  углеродистых сталей обыкновенного качества:

Ст1кп2; БСт2пс; ВСт3Гпс; Ст4-2; … ВСт6сп3.

Буква перед маркой показывает группу стали. Сталь группы А — буквой не обозначается.

Ст — показывает, что сталь  обыкновенного качества.

Первая цифра — номер по ГОСТу (от 0 до 6).

Буква Г после первой цифры — повышенное содержание марганца (Mn)-(служит для повышения прокаливаемости стали).

сп; пс; кп — степень раскисления  стали.

Вторая цифра — номер категории  стали (от 1 до 6 — основные механические свойства). Сталь 1-ой категории цифрой не обозначается.

Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали.

Применение:

Ст1; Ст2 — проволока, гвозди, заклёпки.

Ст3; Ст4 — крепёжные детали, фасонный прокат.

Ст5; Ст6 — слабонагруженные валы, оси.

 

9.

Инструментальная сталь для режущего инструмента должна обладать высокой твёрдостью, износостойкостью, достаточной прочностью и вязкостью (для  инструментов ударного действия).

Режущие кромки могут нагреваться  до температуры 500…900⁰C, поэтому важным свойством является теплостойкость, т.е., способность сохранять высокую твёрдость и режущую способность при продолжительном нагреве (красностойкость).

Стали для режущего инструмента  после закалки и низкого отпуска  должны иметь высокую твердость  в режущей кромке (HRC 62—68), значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется с повышенной скоростью.

 

Углеродистые стали небольшой  прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью. Углеродистые инструментальные стали  У8 (У8А), У10 (У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

 Для режущего инструмента  (фрезы, зенкеры, сверла, спиральные  пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т. д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У 10, У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура — мартенсит и карбиды. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки, топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термической обработки трооститную структуру.

 Углеродистые стали  в исходном (отожженном) состоянии  имеют структуру зернистого перлита,  низкую твердость (НВ 170— 180) и  хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей У10-У13 должна быть 760—780 °С, т. е. несколько выше Ас1, но ниже Аст для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную структуру и сохраняли мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из сталей У10—У12 для уменьшения деформации охлаждают в горячих средах (ступенчатая закалка).

 Отпуск проводят при  150—170 °С для сохранения высокой  твердости (62—63 HRC).

 Сталь У7 закаливают с нагревом выше точки Ас3 (800—820 °С и подвергают отпуску при 275—325 °С (48—58 HRC) или при 400—500 °С (44—48 HRC).

 Углеродистые стали  можно использовать в качестве  режущего инструмента только  для резания материалов с малой  скоростью, так как их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190—200 °С.

Быстрорежущие стали. В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600—650°С, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2—4 раза) и стойкость инструментов (в 10—30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

 Основными легирующими  элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, являются в первую очередь вольфрам и его химический аналог — молибден. Сильно повышает теплостойкость (до 645—650 °С) и твердость после термической обработки (67—70 HRC) кобальт и в меньшей степени ванадий. Ванадий, образуя очень твердый карбид VC, повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость.

Широко применяемые быстрорежущие  стали умеренной теплостойкости (620 °С) – Р18, Р9, Р6М5. Эти стали рекомендуются для всех видов инструмента при обработке углеродистых и легированных сталей. Наиболее часто применяют сталь Р6М5. Для обработки высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов применяют стали, содержащие кобальт Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5, Р2АМ9К5 с повышенной красностойкостью (630 °С). Для чистовых инструментов при обработке вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами, нашла применение сталь Р12ФЗ с высоким содержанием ванадия. Все стали обладают хорошим сопротивлением износу.

 Для придания стали теплостойкости  инструменты подвергают закалке  и многократному отпуску. Температуру  закалки стали Р18 принимают равной 1270 °С и стали Р6М5 — 1220 °С. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Это обеспечивает получение после закалки мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью. После закалки следует многократный отпуск при 550—570 °С. Продолжительность каждого отпуска 45— 60 мин.

Нетеплостойкие стали применяют  редко. Подавляющее число инструментов изготовляют из быстрорежущей стали.

 Все шире применяют быстрорежущие стали, полученные методом порошковой металлургии. В этих сталях карбидная фаза очень мелкая, что способствует более полному растворению карбидов в аустените и повышению теплостойкости. Основные порошковые стали, предложенные для замены сталей Р18 и Р6М5 — Р0М2ФЗ-МП, М6Ф1-МП, М6ФЗ-МП мало содержат дефицитного вольфрама. Несмотря на высокое содержание ванадия, стали хорошо шлифуются. Применяются и другие порошковые стали, например 10Р6М5-МП, Р6М5К5-МП и Р12МЗК8 (ТУ 14-1-2998—80). Стойкость режущего инструмента из порошковых сталей по сравнению со стойкостью инструмента из аналогичных сталей обычного производства в 1,2—2 раза выше.

 

10.

СТАЛИ ДЛЯ ШТАМПОВ  ХОЛОДНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

 

 Штампы для холодного деформирования  работают в условиях высоких  переменных нагрузок, выходят из строя вследствие хрупкого разрушения и изменения формы и размеров за счет смятия (пластической деформации) и износа. Поэтому стали, используемые для изготовления штампов, пластически деформирующих металл при нормальных температурах, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. В процессе деформирования с большей скоростью штампы разо­греваются до 200—350 °С, поэтому стали этого класса должны быть и теплостойкими. Наиболее часто применяют стали марок: Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 7ХГ2ВМ, 6Х6В3МФС.