Главная → Статьи

Железоуглеродистые сплавы

Чистое железо в промышленности и строительстве почти не применяется из-за низкой прочности и твердости. Углерод, даже в небольшом количестве присутствующий в железе, резко изменяет механические свойства последнего. Одним из существенных преимуществ сплавов железа с углеродом является их способность в широких пределах менять свои свойства. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2% углерода, называются сталью, а более 2% — чугуном. Кроме углерода в стали и чугуне имеются вредные (сера и фосфор) и полезные (например, марганец) примеси. Сера и фосфор придают стали и чугуну хрупкость, сера при высоких фосфор при низких температурах. В соответствии’ со стандартами в стали не должно быть более 0 04—0,08% серы и фосфора (каждого элемента в отдельности). Марганец, взаимодействуя с серой, частично’ удаляет ее в шлак и восстанавливает железо путем соединения с кислородом, поэтому марганец — полезная примесь.

Сталь. По химическому составу сталь делится на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь в свою очередь подразделяется на низко-, средне- и высокоуглеродистую с содержанием углерода соответственно до 0,25%, от 0,25 до 0,6% и от 0,6 до 2%.

Легированная сталь в своем составе кроме углерода имеет различные легирующие компоненты (хром, никель, молибден, ванадий и др.), по содержанию которых она делится на низко- (до 2,5%), средне- (от 2,5 до 10%) и высоколегиро:ванную (более 10%,).

По назначению сталь делится на конструкционную, инструментальную и с особыми физическими и химическими свойствами (жаростойкая, нержавеющая, жаропрочная, электротехническая и другая сталь).

В качественном отношении сталь делится на обыкновенную, качественную и высококачественную. Качество стали определяется количеством газов, шлаков и вредных примесей, находящихся в ее составе, а также однородностью сплава. Чем меньше вредных примесей, тем лучше качество стали. Качество стали не зависит от наличия и количества специальных элементов в ней, так как химический состав определяет марку стали, а не ее качество.

По микроструктуре сталь подразделяется в основном на ферритную, аустенитную, мартенситную и перлитную. К ферритной относятся высокохромистая, нержавеющая, жаропрочная стали.

Углеродистая и низколегированная стали относятся к перлитной, а высоколегированные конструкционные, высокоуглеродистые, инструментальные — к мартен-ситной. К аустенитной стали относится высоколегированная нержавеющая.

Сталь имеет определенные марки. Углеродистые и легированные стали маркируются по-разному.

Стали обыкновенного качества, изготавливаемые по ГОСТ 380—71 *, делятся на три основных группы, которые определяют области применения стали. Стали группы А характеризуются механическими свойствами, группы Б — химическим составом и группы В — механическими свойствами и химическим составом.

У стали, относящейся к группе А, в маркировку входит также способ выплавки: М — мартеновская, Б — бессемеровская, К — конверторная. Сталь группы В в маркировке имеет букву В и буквы кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная. Кипящая — это не полностью раскисленная сталь с содержанием кремния до 0,05%- Спокойная сталь содержит до 0,12% кремния, полуспокойная — 0,05—0,12% и занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной.

В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы подразделяется на категории. Сталь группы А имеет три категории, для каждой из которых установлены обязательные показатели и нормы механических свойств. Сталь группы Б подразделяется на две категории, а сталь группы В — на шесть категорий.

Примеры маркировки стали: БСт2пс — сталь бессемеровская, полуспокойная; БСтЗкп — сталь бессемеровская кипящая; ВМСтЗкп — сталь мартеновская кипящая.

Углеродистая сталь, изготавливаемая по ГОСТ 1050 — 74, имеет другую маркировку. Например, у стали 30 цифра показывает среднее содержание углерода (допускается 0,27—0,35%) в ней в десятых долях процента, т. е. 0,3.

Марка легированной стали включает в себя определенные буквы и цифры, сочетание которых зависит от химического состава стали. Входящие в маркировку буквы расшифровываются следующим образом: Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, М — молибден, Ю — алюминий, В — вольфрам, Т — титан, Ф — ванадий, Б — ниобий, К — кобальт, Д — медь, Р — бор, А — азот. Цифры, входящие в марку, указы-пают на содержание конкретного элемента в стали. Двузначное число, стоящее в начале марки стали, указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифра, стоящая справа от букв, обозначающих элементы, показывает примерное содержание в процентах этого элемента. Например, марка стали 19Х2Н4 говорит о том, что сталь содержит до 0,12% углерода, около 2% хрома и около 4% никеля При со-ярпжании легирующего элемента менее 1 % цифры после букв не ставятся, например сталь 20ХНМ содержит 0 15—0,25% углерода, а хрома, никеля и молибдена — менее 1%.

Чугун. Чугун выплавляют в доменных печах из железной руды. Имеется несколько видов чугуна (белый, серый). Белый чугун получают при быстром его остывании и содержании в нем марганца более 1%. Углерод в чугуне химически связан с железом, поэтому белый чугун очень тверд и хрупок, плохо поддается обработке, но хорошо сопротивляется износу.

После медленного охлаждения и затвердевания углерод в чугуне находится в свободном состоянии в виде графита. Наличие графита приводит к снижению твердости и улучшению обрабатываемости чугуна. Такой чугун называется серым, он широко используется в промышленности.

Большое распространение в автомобиле- и сельхозмашиностроении нашел ловкий чугун, получаемый отжигом из белого чугуна. Ковким называется вязкий, хорошо сопротивляющийся разрыву и ударной нагрузке чугун, у которого в основной структуре связанного углерода имеются хлопьевидные графитовые включения.

Высокие требования, предъявляемые к прочности и износостойкости чугунных отливок, обусловили применение модифицированного чугуна. Модифицирование осуществляется путем добавок в жидкий сплав специальных присадок — модификаторов. Используется также легированный чугун, содержащий значительное количество специальных элементов (никель, ванадий, марганец, хром, титан, медь), которые улучшают структуру чугуна и повышают эффективность его термической обработки.

Из цветных металлов наибольшее распространение в строительстве получили алюминий, медь, титан и их сплавы.

Алюминий и его сплавы. Алюминий имеет небольшую плотность (2,7 г/см3), высокую электрическую проводимость (60%! электрической проводимости меди) и теплопроводность. Однако вследствие низкой прочности и высокой пластичности чистый алюминий применяется в технике мало. Для строительных конструкций в основном используются сплавы алюминия. Температура плавления алюминия сравнительно низкая — 658°С (93ГК). Однако в жидком и твердом состояниях алюминий энергично соединяется с кислородом, при этом получается окись с высокой температурой плавления — 2050°С (2323°К). Образовавшаяся в твердом состоянии окись алюминия располагается на поверхности в виде пленки, хорошо предохраняющей металл от коррозии. Чем чище алюминий, тем лучше его сопротивляемость коррозии и выше электрическая проводимость.

Специфические свойства алюминия и его сплавов затрудняют их сварку. Из-за высокой теплопроводности необходимо применять специальные технологические приемы, а в ряде случаев — предварительный подогрев. Наличие на поверхности изделий тугоплавкой пленки окиси алюминия препятствует соединению частиц металла. Низкая температура плавления алюминия и высокая температура плавления окисной пленки значительно осложняют управление процессом сварки.

Медь и ее сплавы. Медь — это вязкий, красновато-розового цвета металл. По электрической проводимости медь занимает среди металлов второе место после серебра. Кроме того, медь характеризуется высокой теплопроводностью (в 6 раз больше, чем у стали и железа) и коррозионной стойкостью. Температура плавления меди — 1083°С (1356°К), плотность — 8,9 г/см3.

Вследствие способности меди легко окисляться, большой теплопроводности и наличия примесей (кислород, свинец, сера, фосфор, висмут, мышьяк, сурьма) она трудно поддается дуговой сварке. Особенно на свариваемость меди отрицательно влияют висмут и кислород.

Большое применение в народном хозяйстве нашли сплавы меди (латунь и бронза).

Латунь — это сплав меди с цинком. Широкое рас-ппостранение латуни обусловливается меньшей стоимостью и плотностью цинка по сравнению с медью. r технике в основном используется латунь, содержащая до 50% цинка. Температура плавления латуни лежит в интервале 800—900°С и зависит от ее состава: чем больше цинка, тем ниже точка плавления. Маркируется латунь буквами и цифрами. Первая буква в марке Л, т. е. латунь, следующие буквы показывают присутствие других элементов, а цифры обозначают среднее содержание цинка в процентах (например, JI70, Л62). Марка ЛС-59 расшифровывается так: латунь с примесью свинца, содержащая цинка 59%.

Основными факторами, затрудняющими сварку латуни, являются испарение и угар цинка. Выделение цинка ведет к пористости металла шва и насыщению воздуха, окружающего сварщика, парами цинка, вредными для здоровья.

Бронза представляет собой сплав меди с оловом, алюминием, бериллием, свинцом. Температура плавления — 720—1000°С. Чем больше в бронзе олова, тем ниже температура ее плавления. Бронзы обозначаются также буквами и цифрами. Первые две буквы «Бр» обозначают «бронза», а последующие — название входящих в состав бронзы элементов (О — олово, С — свинец, А — алюминий, Ц — цинк, Ж — железо, Ф — фосфор). Цифры обозначают содержание элементов в процентах. Например, БрОФЮ-1 — бронза с содержанием 10% олова и 1% фосфора; БрАЖ9-6 — бронза с содержанием 9% алюминия и 6% железа.

Бронзы удовлетворительно свариваются дуговой сваркой. Основная трудность заключается в окислении олова, алюминия, кремния, фосфора в процессе сварки с образованием соединений, осложняющих сварку и сообщающих сварному шву хрупкость.

Титан и его сплавы. Титан и его сплавы с каждым годом получают все более широкое распространение в народном хозяйстве. Титан — это серебристо-белый легкии металл с плотностью 4,5 г/смз и температурой плавления 1650—1670°С. Плотность титана на 40% меньше, чем стали и на 70% больше, чем алюминия.

110 прочности и коррозионной стойкости титан и его сплавы в ряде случаев превосходят нержавеющую сталь Х18Н19. Титан химически стоек, имеет в 4 раза меньший коэффициент теплопроводности и в 5 раз более высокое электрическое сопротивление по сравнению со сталью, поэтому для его сварки тратится меньше электрической энергии, чем для стали и алюминия. Однако высокая температура плавления требует при сварке применять более концентрированные источники тепла. Титан маломагнитен, поэтому при сварке отсутствует магнитное дутье.

Большим затруднением при сварке титана и его сплавов является высокая активность к кислороду, азоту, водороду и углероду в расплавленном и твердом состояниях при температурах выше 600 °С. Для получения при сварке плавлением соединения хорошего качества необходимо полностью защищать свариваемые металлы от взаимодействия с воздухом и вредными примесями сварочной ванны и нагретых выше 600 °С металлов основного и шва.

Титан и его сплавы маркируют условно (ВТ1-1, ВТ1-2, ОТ4-1, ОТ-4, ВТ-6), буквы и цифры в марке не отражают ни химического состава, ни свойств титана. Сравнительно высокая удельная прочность, жесткость и стойкость к внешней среде при небольшой удельной массе по сравнению со сталями дадут возможность расширить область применения титана.

—-

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

Стали нашли самое широкое применение в народном хозяйстве для изготовления самых разнообразных конструкций. Сталь состоит из многих элементов. Однако наибольшее влияние на ее свойства оказывает углерод. На рис. 1 представлена диаграмма состояния сплавов железа с углеродом в области между железом и цементитом (химическое соединение железа с углеродом Fe3C). В системе сплавов этих двух компонентов существует ряд фаз: ж — жидкий раствор углерода в железе; у — аустенит — твердый раствор углерода в Y — Fe; а — феррит — твердый раствор углерода в а — Fe; Ц — цементит (кроме или вместо цементита может присутствовать графит Г — свободный углерод). В сплавах существуют также однородные механические смеси. В области высоких концентраций углерода образуются также однородные механические смеси — ледебурит Л, эвтектоид — перлит П, первичный цементит— Ць вторичный цементит — Ц2, третичный цементит— Ц3. Диаграмма состояния характерна для равновесных условий кристаллизации сплавов. Фазы и структуры могут быть получены при достаточно медленном охлаждении или нагреве и выдержке быстроохлажден-ного сплава до температуры, соответствующей фазовой или структурной области. О превращениях при охлаждении сплавов различного состава можно судить по обозначениям областей диаграммы. Сплавы со структурой феррита и перлита содержат количество перлйта от 0 % при отсутствии в железе углерода до 100% при содержании примерно до 0,8 % углерода. Другая составляющая этих сплавов — перлит (механическая смесь феррита и цементита). Так как цементит имеет более высокую твердость, чем феррит, и более хрупкий, то он оказывает большое влияние на свойства сплавов. Цементит, являясь включением в мягкой, легко деформируемой основе, препятствует пластической деформации, повышает твердость и прочность сталей. При содержании в стали 0,8 % С структура стали состоит из ферритно-цементитной механической смеси. Сплавы с большим содержанием углерода относятся к чугунам. Чугуны, у которых при кристаллизации выделяется цементит и он сохраняется до полного охлаждения, называют белыми чугунами, а чугуны в структуре с графитом вместо цементита называются серыми.

Введение в сталь легирующих элементов меняет их свойства и в значительной мере влияет на условия сварки и свойства сварных соединений. Легирующие элементы по-разному взаимодействуют с железом и углеродом—основными компонентами стали. С железом легирующие элементы дают растворы замещения. Взаимодействие их с углеродом более сложно. С одной стороны многие легчрующие элементы или непосредственно образовывают с углеродом карбид легирующего элемента или заменяют часть атомов железа в карбиде железа. С другой стороны, образуя растворы замещения и заменяя в кристаллической решетке часть атомов железа, легирующие элементы изменяют энергетические условия взаимодействия с решеткой внутренних атомов углерода. Следовательно, легируя феррит и меняя уровень энергетических связей, легирующие элементы меняют температуру полиморфных превращений, что особенно важно при быстропротекающем нагреве стали при сварке, а при охлаждении влияют на процесс распада аустенита.

Сталь имеет определенные марки. Углеродистые и легированные стали маркируются по-разному.

Стали обыкновенного качества, изготавливаемые по ГОСТ 380—71*, делятся на три основных группы А, Б, В, которые определяют области применения стали. В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы делится на категории. Нормируемыми показателями для первой категории стали группы А является предел прочности и относительное удлинение, для второй категории к ним добавляется изгиб в холодном состоянии, а для третьей категории — кроме того, предел текучести.

Стали группы Б классифицируют по химическому составу. Нормируемые показатели для первой категории стали этой группы — это содержание углерода, марганца, кремния, фосфора, серы, мышьяка и азота. Для второй категории, кроме этих компонентов, ограничивается содержание хрома, никеля и меди.

Стали группы В характеризуются механическими свойствами, соответствующими сталям группы А, и химическим составом, отвечающим сталям группы Б.

Из-за усложнения условий эксплуатации трубопроводов, металлоконструкций и оборудования, массового строительства промышленных предприятий в условиях Сибири и Севера, технологических трудностей сварки толстолистового металла и необходимости экономии металла широкое применение нашли низколегированные стали, прочностные характеристики которых, а также температура перехода в хрупкое состояние более благоприятны по сравнению с лучшими низкоуглеродистыми сталями.

Марка легированной стали состоит из сочетания определенных букв и цифр, характеризующих ее химический состав. Входящие в маркировку буквы обозначают следующее: Г —марганец, С —кремний, X —хром, Н — никель, М — молибден, Ю — алюминий, В — вольфрам, Т —титан, Ф — ванадий, Б — ниобий, К — кобальт, Д — медь, Р —бор, А — азот. Цифры, входящие в марку, указывают на содержание конкретного элемента в стали. Двузначное число, стоящее в начале марки стали, указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифра, стоящая справа от букв, обозначающих элементы, показывает примерное содержание этого элемента в процентах.

Под свариваемостью стали понимают возможность получения сварного соединения со свойствами, не уступающими основному металлу, без различных дефектов.

лучше свариваемость стали, тем шире технологический диапазон различных видов сварки этой стали тем проще сам процесс. Ухудшение свариваемости вызывает возникновение высоких остаточных напряжений и деформаций, образование разупрочненных участков в зоне теплового влияния, сильный рост зерна в околошовной зоне, появление горячих трещин. Углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость. Однако пределы их содержания, когда начинается ухудшение свариваемости, различны. Причем эти пределы зависят также и от уровня легирования стали другими элементами. Отрицательное влияние углерода на свариваемость связано с повышением склонности стали к образованию горячих и холодных трещин, с повышением хрупкости металла в зоне теплового влияния. В нелегированной и низколегированной стали содержание углерода до 0,25% незначительно ухудшает свариваемость. Заметное ухудшение свариваемости наступает при содержании углерода более 0,3%. Особенно плохо свариваются стали с содержанием углерода 0,5% и более. Влияние легирующих элементов на свариваемость может быть различным в низко- и высоколегированных сталях. В низколегированных сталях наблюдается следующее их влияние. Содержание кремния до 1,7% особо вредного влияния на свариваемость не оказывает. Некоторое отрицательное его влияние связано с упрочнением феррита и со способностью неоднородного распределения углерода. Влияние марганца зависит от содержания углерода в стали — чем выше его содержание, тем хуже свариваемость. Это связано с повышением хрупкости, вероятностью появления холодных трещин и повышением склонности к появлению элементов закалочных структур в зоне теплового влияния. В своем влиянии на свариваемость хром также связан с количеством в стали углерода. При содержании углерода более 0,25% и хрома более 2% свариваемость стали значительно ухудшается. При большом содержании хрома повышается склонность к образованию холодных трещин, возникает неоднородность свойств в зоне термического влияния, увеличивается объемный эффект превращения аустенита и снижается теплопроводность стали. Все это приводит к повышению уровня остаточных напряжений. Присутствие никеля до 1% при содержании до 0,2% углерода существенно свариваемость не ухудшает. При наличии никеля до 1,5% свариваемость остается удовлетворительной. При дальнейшем повышении содержания должнр быть .снижено наличие углерода или приняты специальные технологические меры для обеспечения получения качественного сварного соединения. На свариваемость стали плохо влияют элементы, дающие устойчивые карбиды. Без значительного ухудшения свариваемости в низкоуглеродистую сталь вводят до 0,5 % вольфрама и молибдена.

Символы различных элементов означают содержание данного элемента в процентах. Признаком хорошей свариваемости считается сталь с Сэ = 0,4.

Ваш отзыв