Стомана: определение, класификация, химичен състав и приложение

Колко често чуваме думата "стомана"?. И не само професионалистите в областта на стоманодобива го използват, но и обикновените хора. Няма солидна структура без стомана. По същество, когато говорим за нещо метално, имаме предвид продукт, изработен от стомана. Разберете от какво се състои и как се класифицира.

Определение

Стоманата е може би най-популярната сплав и се основава на желязо и въглерод. Делът на вторите варира между 0,1 и 2,14 %, докато първите не могат да паднат под 45 %. Лесното производство и наличието на суровини са решаващи за разпространението на метала във всички области на човешката дейност.

Основните характеристики на материала варира в зависимост от химичния си състав. Определението за стомана като сплав, състояща се от два компонента - желязо и въглерод, е непълно. Той може да съдържа например хром за устойчивост на топлина и никел за устойчивост на корозия.

Задължителните материални компоненти добавят допълнителни ползи. Например желязото прави сплавта еластична и лесно деформируема при определени условия, докато въглеродът я прави здрава и твърда, но в същото време крехка. Ето защо делът му в общата маса на стоманата е толкова малък. Определянето на метода на производство на сплавта води до съдържание на манган от 1 % и съдържание на силиций от 0,4 %. Има редица примеси, които се появяват при топенето на метала и от които човек се опитва да се отърве. Наред с фосфора и сярата, кислородът и азотът също влошават качествата на материала, като го правят по-малко здрав и променят пластичността му.

Класификация

Определението за стомана като метал с определено набор от характеристики, със сигурност няма съмнение за това; и. Съставът му обаче позволява материалът да бъде класифициран по няколко начина. Например, металите се различават според следните характеристики

• химия;
• по структурен признак;
• качество;
• според предназначението му;
• по степен на дезоксидация;
• Твърдост;
• заваряемост на стоманата.

Определението за стомана, нейните класове и всички нейни характеристики ще бъдат описани по-долу.

Етикетиране

За съжаление няма световно обозначение на стоманите, което затруднява търговията между държавите. В Русия е дефинирана буквено-цифрова система. Буквите представляват имената на елементите и метода на дезоксидация, а цифрите - техните количества.

Химически състав

Съществуват два начина за разделяне на стоманата по отношение на нейния химичен състав. В съвременните учебници се прави разграничение между въглероден и легиран материал.

Първото обозначение определя стоманата като нисковъглеродна, средновъглеродна и високовъглеродна, а второто обозначение определя стоманата като нисколегирана, среднолегирана и високолегирана. Нисковъглеродната стомана е метал, който според ГОСТ 3080-2005 може да съдържа освен желязо и следните съставки:

• До 0,2% въглерод. Той спомага за термичното втвърдяване, което може да удвои якостта на опън и твърдостта на материала.
• До 0,8 % манган реагира химически с кислорода и предотвратява образуването на железен оксид. Металът е по-устойчив на динамични натоварвания и е по-податлив на термично закаляване.
• Силиций - до 0,35%. Подобрява механичните свойства, като твърдост, якост, заваряемост.

Според GOST определението за стомана като нисковъглеродна стомана дава метал, който освен полезен съдържа и редица вредни примеси в следните количества. Това са:

• Фосфор - до 0,08 % е причина за появата на крехкост, влошава издръжливостта и силата. Намалява удароустойчивостта на метала.
• Сяра, до 0,06 %. Той затруднява формоването на метала и увеличава крехкостта при закаляване.
• Азот. Намалява технологичните и якостните свойства на сплавта.
• Кислород. Намалява твърдостта и възпрепятства обработката на инструмента при рязане.

Трябва да се отбележи, че нисковъглеродните или нисковъглеродните стомани са особено меки и еластични. Деформират се добре, както при горещи, така и при студени условия.

Определението за мека стомана, както и нейният състав, със сигурност се различават от материала, описан по-горе. И най-големите Разликата е в количеството въглерод, което варира между 0,2 % и 0,45 %. Тези метали се отличават с ниска пластичност и еластичност, както и с отлични свойства на издръжливост. Частите, които обикновено се използват за нормални приложения с високи натоварвания, са изработени от мека въглеродна стомана.

Стоманите, съдържащи повече от 0,5% въглерод, се наричат високо въглеродни стомани. Той има повишена твърдост, намалена пластичност и еластичност и се използва при горещо и студено формоване на инструменти и части.

В допълнение към определянето на въглерода в стоманата е възможно материалът да се характеризира с наличието на допълнителни стоманени примеси. Ако към метала се добавят хром, никел, мед, ванадий, титан, азот в химически свързано състояние в допълнение към обичайните елементи, той се нарича легиран. Такива добавки намаляват риска от крехко счупване, повишават устойчивостта на корозия и здравината. Количеството показва степента на легиране на стоманата:

• Нисколегиран - съдържа до 2,5 % легиращи добавки;
• Средно легирани - между 2,5 и 10 %;
• Високо легиране - до 50%.

Какво означава това?? Например повишаването на някое от свойствата на стоманата може да се постигне по следния начин:

1. Добавяне на хром. Влияе положително върху механичните свойства вече с 2% от общото количество.
2. Добавянето на 1 % до 5 % никел увеличава границите на температурната якост. И намалява студената крехкост.
3. Манганът работи по подобен начин на никела, въпреки че е значително по-евтин. Това обаче прави метала по-податлив на прегряване.
4. Волфрам - добавка за формиране на карбид, която придава висока твърдост. Защото при нагряване възпрепятства растежа на зърната.
5. Молибденът е скъпа добавка. Повишава термичната устойчивост на високоскоростните стомани.
6. Силиций. Увеличава киселинната устойчивост, еластичността и устойчивостта на люспи.
7. Titan. Може да допринесе за фината структура на зърната, когато се комбинира с хром и манган.
8. Мед. Подобрява свойствата за защита от корозия.
9. Алуминий. Повишава устойчивостта на топлина, устойчивостта на котлен камък, устойчивостта на удар.

Структура

Определянето на състава на стоманата не би било пълно, ако не се изследва нейната структура. Тази характеристика обаче не е постоянна и може да зависи от редица фактори, като например топлинната обработка, скоростта на охлаждане и степента на легиране. Структурата на стоманата може да се определи след отгряване или нормализиране. След отгряване стоманата се разделя на

• Предварителна евтектоидна структура - с излишък на ферит;
• Евтектоид, който се състои от перлит;
• Гаетектоидни - с вторични карбиди;
• ледебурит - с първични карбиди;
• Аустенитна - с лицевоцентрична кристална решетка;
• ферит - с кубична централна решетка.

Определянето на класа на стоманата е възможно след нормализиране. Аустенитната обработка се отнася до вид термична обработка, която включва нагряване, задържане и последващо охлаждане. Разграничават се перлитни, аустенитни и феритни класове.

качество

Видовете могат да бъдат определени по отношение на качеството по четири начина. Те:

1. Обикновените качествени стомани са стомани със съдържание на въглерод под 0,6 %, които се топят в открити пещи или кислородни конвертори. Те се считат за най-евтините и отстъпват по характеристики на други групи метали. Примери за тези стомани са St0, St3sp, St5kp.
2. Качество. Акценти този тип са St08kp, St10ps, St20. Те се топят в същите пещи, но с по-високи изисквания към шихтата и производствените процеси.
3. Висококачествените стомани се топят в електрически пещи, които гарантират по-голяма чистота на материала по отношение на неметалните включвания, т.е. по-добри механични свойства. Тези материали включват St20A, St15Cr2MA.
4. Висококачествени - произведени по специални металургични методи. Те се подлагат на електрошлаково претопяване, за да се отстранят сулфидите и оксидите. Стоманите от този тип включват St18CrNrSh, St20CrNrNrSh.

Структурни стомани

Това е вероятно най-лесната и проста функция за разбиране от обикновения човек. Прави се разграничение между конструкционни, инструментални и стомани със специално предназначение. Структурните продукти обикновено се разделят на:

1. Строителните стомани са въглеродни стомани с нормално качество и нисколегирани стомани. Към тях се прилагат редица изисквания, сред които основно е достатъчно високата заваряемост. Примери са StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Циментируемите стомани се използват за продукти, които са изложени на повърхностно износване и на паралелни динамични натоварвания. Те включват нисковъглеродни стомани St15, St20, St25 и някои легирани стомани: St15Х, St20Х, St15ХФ, St20ХН, St12ХНЗА, St18Х2Н4ВА, St18Х2Н4МА, St18ХГТ, St20ХГР, St30ХГТ.
3. За процесите на студено формоване се използва качествена нисковъглеродна стомана. Стомани като St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Стомана, която може да бъде подобрена чрез процеси на закаляване и високо закаляване. Това са средновъглеродни стомани (St35, St40, St45, St50), хромирани стомани (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR), както и хром-силиций-манганови, хром-никел-молибденови и хром-никелови стомани.
5. Стоманите за окачване на пружини имат еластични свойства и ги запазват за дълго време, тъй като са изключително устойчиви на умора и счупване. Те са въглеродни стомани St65, St70 и легирани стомани (St60C2, St50CGS, St60C2CFA, St55CGR).
6. Високоякостните образци са тези, които имат два пъти по-висока якост от други конструкционни стомани, постигната чрез термична обработка и химичен състав. По-голямата част от тях са средно въглеродни легирани стомани като St30CrNi2A, St40CrNi2MA, St30CrNi3MA, St38CrNi3MA, StOZN18K9M5T, St04CrNi9M2D2Tu.
7. Стоманите за сачмени лагери са известни със своята особена здравина, висока износоустойчивост и якост. Те задължително са без всякакви включвания. Те включват високовъглеродни стомани със съдържание на хром (StShKh9, StShKh15).
8. Автоматизираните стомани се определят като. Това са образци, които се използват при производството на нереактивни продукти, като например неръждаеми стомани като винтове, гайки, винтове. Тези резервни части обикновено се обработват чрез рязане. Следователно основната цел е да се подобри обработваемостта на частите, което се постига чрез влагане на телур, селен, сяра и олово. Такива добавки произвеждат крехки и къси стружки по време на обработката и намаляват триенето. Основните стомани в автомобилната промишленост се обозначават като StA12, StA20, StA30, StAAS11, StAAS40.
9. Следните продукти са класифицирани като устойчиви на корозия легирани стомани стомани със съдържание на хром около 12%, тъй като той образува оксиден филм върху повърхността, който възпрепятства корозията. Тези сплави са St12Cr13, St20Cr17Ni2, St20Cr13, St30Cr13, St95Cr18, St15Cr28, St12Cr18NiT,
10. Износоустойчивите класове се използват в продукти, които работят при абразивно триене, удари и високо налягане. Примери за това са части от железопътни релси, трошачки и гъсенични машини като St110G13L.
11. Високотемпературните стомани могат да работят при висока температура. Те се използват в производството на тръби, части за газови и парни турбини. Това са предимно високолегирани нисковъглеродни образци, задължително съдържащи никел, които могат да съдържат добавки като молибден, нобий, титан, волфрам и бор. Примери са St15CrM, St25Cr2M1F, St20Cr2MVF, St40Cr2M, St12Cr18Ni9T, StXN62MVKY.
12. Топлоустойчивите стомани са особено устойчиви на химическо въздействие във въздушна, газова и пещна среда, на окисляване и навъглеродяване, но проявяват пълзене при големи натоварвания. Представители на този тип стомана са St15Cr5, St15Cr6CM, St40Cr9C2, St20Cr20N14C2.

Инструментални стомани

В тази група сплавите се подразделят на инструментални, режещи и калибровъчни стомани. Щампованите стомани се предлагат в два вида.

• Материалът за студено формоване трябва да има висока степен на твърдост, здравина, износоустойчивост и топлоустойчивост. Но имат достатъчна здравина (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Материалът за горещо формоване се характеризира с добра твърдост и еластичност. В допълнение към износоустойчивостта и устойчивостта на котлен камък (St5CrNm, St5CrNV, St4CrZVMF, St4Cr5V2FS).

Освен устойчивостта на износване и твърдостта, стоманите за измервателни инструменти трябва да са стабилни по отношение на размерите и лесно да се шлифоват. Тези сплави се използват за измервателни уреди, скоби, приспособления, линийки, скали и плочки. Примери за това са сплавите StU8, St12X1, StXVG, StX12F1.

Идентифицирането на групите стомани за режещи инструменти е сравнително лесно. Такива сплави трябва да имат способност за рязане и висока твърдост за дълго време, дори ако са изложени на топлина. Те включват Въглеродни и легирани стомани Инструментални стомани и високоскоростни стомани. Някои от най-представителните стомани са следните: StU7, StU13A, St9HS, StHVG, StR6M5, StRUK5F5.

Обезкисляване на сплавта

Степените на дезоксидация показват три вида стомана: спокойна, полуспокойна и мехурчеста. Самият термин се отнася до отстраняването на кислорода от течната сплав.

Тихата стомана почти никога не отделя газове по време на втвърдяването. Това се дължи на пълното отстраняване на кислорода и образуването на свиваща се обвивка на върха на слитъка, която след това се отрязва.

При полузатихналата стомана газовете се отделят частично, т.е. повече, отколкото при затишие, но по-малко, отколкото при кипене. Няма черупка, както в предишния случай, но в горната част на слитъка се образуват мехурчета.

При втвърдяването си кипящите сплави отделят големи количества газ и в напречния разрез е лесно да се види разликата в химичния състав между горния и долния слой.

Твърдост

Този термин описва способността на даден материал да се съпротивлява на проникването на по-твърд материал в него. За определяне на твърдостта са използвани три метода: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

При метода на Бринел закалена стоманена топка се притиска към шлифованата повърхност на изпитваното тяло. Чрез изследване на диаметъра на вдлъбнатината се определя твърдостта.

Твърдостта на стоманата по Рокуел. Това се основава на изчислението на дълбочината на проникване на накрайник под формата на ромбовиден конус с ъгъл 120 градуса.

Диамантената тетраедрична пирамида се притиска в изпитваното изделие чрез Викерс. С ъгъл от 136° на противоположните страни.

Възможно ли е да се определи твърдостта на стоманата без химически анализ? Експертите в областта на металознанието могат да определят твърдостта на стоманата по една искра. Възможно е да се определят съставките на даден метал чрез обработката му. Например:

• Стоманата CVG има тъмнопурпурни искри с жълто-червени петна и снопчета. Яркочервени звезди в краищата на разклонените нишки с жълти покрития в средата.
• P18 също се идентифицира по тъмнопурпурните искри с жълти и червени снопчета в началото, но нишките са прави и без разклонения. Искри с един или два светложълти клъстера в краищата на лъчите.
• Стоманите XG, XX, XX15 и XX9 имат жълти искри със светли звездички. И червени искри по клоните.
• Стоманата U12F се характеризира със светложълти искри с плътни, големи звезди. С няколко червено-жълти искри.
• Стомани 15 и 20 имат светложълти искри, много разклонения и звездички. Но малко гроздове.

Определянето на стоманата чрез искри е доста точен метод за специалисти. Широката общественост обаче не може да характеризира даден метал само чрез изследване на цвета на искрата.

Заваряемост

Способността на металите да образуват съединение при определени условия е известна като заваряемост на стоманите. Това може да се определи след определяне на съдържанието на желязо и въглерод.

Известно е, че нисковъглеродните стомани се свързват добре чрез заваряване. Когато съдържанието на въглерод надхвърля 0,45 %, заваряемостта се влошава и се влошава най-много при високо съдържание на въглерод. Това се дължи и на факта, че хетерогенността на материала се увеличава и на границите на зърната се появяват сулфидни включвания, които предизвикват пукнатини и повишени вътрешни напрежения.

Легиращите компоненти също влошават връзката. Най-неблагоприятните за заваряване химични елементи са хром, молибден, манган, силиций, ванадий и фосфор.

Въпреки това, следвайки процеса по време на работа При нисколегираните стомани може да се постигне добър процент на заваряемост без използването на специални мерки. Определянето на заваряемостта е възможно след оценка на редица важни свойства на материала, включително

• Скорост на охлаждане.
• Химически състав.
• Вид първична кристализация и структурни промени по време на заваряване.
• Способност на метала да образува пукнатини.
• Склонност на материала към образуване на образувания на закаляване.