Stal: definicja, klasyfikacja, skład chemiczny i zastosowanie

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Jak często słyszymy słowo „stal”. A wypowiadają to nie tylko fachowcy w dziedzinie produkcji metalurgicznej, ale także mieszczanie. Żadna mocna konstrukcja nie jest kompletna bez stali. W rzeczywistości, kiedy mówimy o czymś metalowym, mamy na myśli produkt wykonany ze stali. Dowiedzmy się, z czego składa się i jak jest klasyfikowany.

Definicja

Stal jest prawdopodobnie najpopularniejszym stopem opartym na żelazie i węglu. Co więcej, udział tych ostatnich waha się od 0,1 do 2,14%, podczas gdy te pierwsze nie mogą być mniejsze niż 45%. Łatwość produkcji i dostępność surowców mają decydujące znaczenie w dystrybucji tego metalu do wszystkich obszarów działalności człowieka.

Główne właściwości materiału różnią się w zależności od jego składu chemicznego. Definicji stali jako stopu składającego się z dwóch składników, żelaza i węgla, nie można nazwać kompletną. Może zawierać na przykład chrom dla odporności na ciepło i nikiel dla odporności na korozję.

Wymagane komponentymateriały zapewniają dodatkowe korzyści. Tak więc żelazo sprawia, że stop jest plastyczny i łatwo odkształcalny w określonych warunkach, a węgiel zapewnia wytrzymałość i twardość jednocześnie z kruchością. Dlatego jego udział jest tak mały w całkowitej masie stali. Określenie sposobu wytwarzania stopu doprowadziło do zawartości w nim manganu w ilości 1% i krzemu - 0,4%. Istnieje szereg zanieczyszczeń, które pojawiają się podczas topienia metalu i których starają się pozbyć. Wraz z fosforem i siarką, tlen i azot degradują również właściwości materiału, czyniąc go mniej trwałym i zmieniając plastyczność.

Klasyfikacja

Definicja stali jako metalu o pewnym zestawie cech nie budzi oczywiście wątpliwości. Jednak to właśnie jego skład umożliwia klasyfikację materiału w kilku kierunkach. Na przykład metale wyróżniają się następującymi cechami:

• o chemii;
• strukturalne;
• według jakości;
• zgodnie z przeznaczeniem;
• w zależności od stopnia odtleniania;
• według twardości;
• o spawalności stali.

Definicja stali, znakowanie i wszystkie jej właściwości zostaną opisane poniżej.

Oznakowanie

Niestety nie ma globalnego oznaczenia stali, co znacznie komplikuje handel między krajami. W Rosji zdefiniowano system alfanumeryczny. Litery wskazują nazwy pierwiastków i metodę odtleniania, a liczby wskazują ich liczbę.

Skład chemiczny

Są dwa sposobypodział stali według składu chemicznego. Definicja podana przez współczesne podręczniki pozwala odróżnić materiał węglowy od stopowego.

Pierwszy atrybut definiuje stal jako niskowęglową, średniowęglową i wysokowęglową, a drugi - niskostopową, średniostopową i wysokostopową. Nazywa się metal o niskiej zawartości węgla, który zgodnie z GOST 3080-2005 może zawierać oprócz żelaza następujące składniki:

• Węgiel - do 0,2%. Sprzyja wzmocnieniu termicznemu, dzięki czemu wytrzymałość na rozciąganie i twardość są podwojone.
• Mangan w ilości do 0,8% aktywnie wchodzi w wiązanie chemiczne z tlenem i zapobiega tworzeniu się tlenku żelaza. Metal lepiej wytrzymuje obciążenia dynamiczne i jest bardziej podatny na utwardzanie termiczne.
• Krzem – do 0,35%. Poprawia właściwości mechaniczne, takie jak ciągliwość, wytrzymałość, spawalność.

Według GOST, definicją stali jako stali niskowęglowej jest metal, który zawiera, oprócz użytecznych, szereg szkodliwych zanieczyszczeń w następującej ilości. To jest:

• Fosfor - do 0,08% odpowiada za pojawienie się na zimno kruchości, osłabia wytrzymałość i siłę. Zmniejsza wytrzymałość metalu.
• Siarka - do 0,06%. Komplikuje obróbkę metalu pod ciśnieniem, zwiększa kruchość odpuszczania.
• Azot. Zmniejsza właściwości technologiczne i wytrzymałościowe stopu.
• Tlen. Zmniejsza wytrzymałość i koliduje z narzędziami tnącymi.

Należy zauważyć, że niskie lubstale niskowęglowe są szczególnie miękkie i ciągliwe. Odkształcają się dobrze zarówno na gorąco, jak i na zimno.

Definicja stali średniowęglowej oraz jej skład oczywiście różni się od materiału opisanego powyżej. A największą różnicą jest ilość węgla, która waha się od 0,2 do 0,45%. Taki metal ma niską ciągliwość i ciągliwość oraz doskonałe właściwości wytrzymałościowe. Stal średniowęglowa jest powszechnie stosowana na części, które są używane przy normalnych obciążeniach mocy.

Jeśli zawartość węgla przekracza 0,5%, taka stal nazywana jest stalą wysokowęglową. Ma zwiększoną twardość, zmniejszoną lepkość, ciągliwość i jest używany do tłoczenia narzędzi i części przez odkształcanie na gorąco i na zimno.

Oprócz identyfikacji węgla obecnego w stali, określenie właściwości materiału jest możliwe dzięki obecności w nim dodatkowych zanieczyszczeń. Jeśli oprócz zwykłych pierwiastków celowo wprowadza się do metalu chrom, nikiel, miedź, wanad, tytan, azot w stanie związanym chemicznie, to nazywa się to domieszką. Takie dodatki zmniejszają ryzyko kruchego pękania, zwiększają odporność na korozję i wytrzymałość. Ich liczba wskazuje stopień stopienia stali:

• niskostopowy - zawiera do 2,5% dodatków stopowych;
• średniostopowy - od 2,5 do 10%;
• wysoce stopowy - do 50%.

Co to oznacza? Na przykład wzrost dowolnych właściwości zaczął być dostarczany w następujący sposób:

1. Dodanie chromu. pozytywnywpływa na właściwości mechaniczne już w ilości 2% całości.
2. Wprowadzenie niklu od 1 do 5% zwiększa temperaturowy margines lepkości. I zmniejsza kruchość na zimno.
3. Mangan działa tak samo jak nikiel, chociaż jest znacznie tańszy. Pomaga jednak zwiększyć wrażliwość metalu na przegrzanie.
4. Wolfram to dodatek tworzący węgliki, który zapewnia wysoką twardość. Ponieważ zapobiega wzrostowi ziarna po podgrzaniu.
5. Molibden to drogi dodatek. Co zwiększa odporność cieplną stali szybkotnących.
6. Krzem. Zwiększa odporność na kwasy, elastyczność, odporność na osadzanie się kamienia.
7. Tytan. Może promować drobnoziarnistą strukturę w połączeniu z chromem i manganem.
8. Miedź. Zwiększa właściwości antykorozyjne.
9. Aluminium. Zwiększa odporność na ciepło, skalowanie, wytrzymałość.

Struktura

Określenie składu stali byłoby niepełne bez zbadania jej struktury. Jednak znak ten nie jest stały i może zależeć od wielu czynników, takich jak: tryb obróbki cieplnej, szybkość chłodzenia, stopień stopowania. Zgodnie z przepisami konstrukcję stalową należy określić po wyżarzaniu lub normalizacji. Po wyżarzaniu metal dzieli się na:

• struktura proeutektoidalna - z nadmiarem ferrytu;
• eutektoid, który składa się z perlitu;
• hipereutektoid - z wtórnymi węglikami;
• ledeburyt - z podstawowymi węglikami;
• austenityczny - z siatką krystaliczną skupioną na twarzy;
• ferrytyczny - z sześcienną siatką skupioną wokół ciała.

Określenie klasy stali jest możliwe po normalizacji. Jest rozumiany jako rodzaj obróbki cieplnej, która obejmuje ogrzewanie, przetrzymywanie i późniejsze chłodzenie. Wyróżnia się tu gatunki perlitowe, austenityczne i ferrytyczne.

Jakość

Określanie typów stało się możliwe pod względem jakości na cztery sposoby. To jest:

1. Jakość zwykła - są to stale o zawartości węgla do 0,6%, które wytapiane są w piecach martenowskich lub w konwertorach z użyciem tlenu. Są uważane za najtańsze i mają gorsze właściwości niż metale innych grup. Przykładem takich stali są St0, St3sp, St5kp.
2. Jakość. Wybitnymi przedstawicielami tego typu są stale St08kp, St10ps, St20. Są one wytapiane przy użyciu tych samych pieców, ale z wyższymi wymaganiami dotyczącymi wsadu i procesów produkcyjnych.
3. Stale wysokiej jakości wytapiane są w piecach elektrycznych, co gwarantuje wzrost czystości materiału na wtrącenia niemetaliczne, czyli poprawę właściwości mechanicznych. Materiały te obejmują St20A, St15X2MA.
4. Szczególnie wysokiej jakości - są wykonane zgodnie z metodą metalurgii specjalnej. Poddaje się je przetapianiu elektrożużlowemu, co zapewnia oczyszczenie z siarczków i tlenków. Stale tego typu to St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Stale konstrukcyjne

To chyba najprostszy i najbardziej zrozumiały znak dla laika. Wyróżniamy stale konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne. Strukturalny jest zwykle podzielony na:

1. Stale konstrukcyjne to stale węglowe zwykłej jakości i reprezentujące serię niskostopową. Podlegają one kilku wymaganiom, z których głównym jest spawalność na wystarczająco wysokim poziomie. Przykładem jest StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Cementowane materiały są używane do wytwarzania produktów, które działają w warunkach zużycia powierzchni i jednocześnie doświadczają obciążeń dynamicznych. Należą do nich stale niskowęglowe St15, St20, St25 oraz niektóre stopowe: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGR, St30KhGT.
3. Do tłoczenia na zimno używa się walcowanych liści z wysokiej jakości próbek o niskiej zawartości węgla. Takich jak St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Stale podatne na obróbkę, które są ulepszane w procesie hartowania i wysokiego odpuszczania. Są to stale średniowęglowe (St35, St40, St45, St50), chromowe (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR), a także chromowo-krzemowo-manganowe, chromowo-niklowo-molibdenowe i chromowo-niklowe.
5. Sprężyny sprężynowe mają właściwości sprężyste i utrzymują je przez długi czas, ponieważ mają wysoki stopień odporności na zmęczenie i zniszczenie. Są to węglowi przedstawiciele St65, St70 i stali stopowych (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
6. Próbki o wysokiej wytrzymałości to takie, które mają dwukrotnie większą wytrzymałość niż inne stale konstrukcyjne, uzyskane dzięki obróbce cieplnej i składowi chemicznemu. W luzie są to stale stopowe średniowęglowe np. St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Łożysko kulkowestale charakteryzują się szczególną wytrzymałością, wysokim stopniem odporności na zużycie i wytrzymałości. Są one zobowiązane do spełnienia wymagań dotyczących braku różnego rodzaju wtrąceń. Próbki te obejmują stale wysokowęglowe z zawartością chromu w składzie (StSHKh9, StSHKh15).
8. Automatyczne definicje stali są następujące. Są to próbki do wykorzystania w produkcji wyrobów niekrytycznych takich jak śruby, nakrętki, wkręty. Takie części zamienne są zwykle obrabiane. Dlatego głównym zadaniem jest zwiększenie skrawalności części, co osiąga się poprzez wprowadzenie do materiału telluru, selenu, siarki i ołowiu. Takie dodatki przyczyniają się do powstawania kruchych i krótkich wiórów podczas obróbki oraz zmniejszają tarcie. Głównymi przedstawicielami stali automatycznych są: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Stale odporne na korozję to stale stopowe o zawartości chromu około 12%, ponieważ tworzy on na powierzchni warstwę tlenku, która zapobiega korozji. Przedstawicielami tych stopów są St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Próbki odporne na zużycie są używane w produktach, które działają pod wpływem tarcia ściernego, wstrząsów i silnego nacisku. Przykładem są części torów kolejowych, kruszarki i maszyny gąsienicowe, takie jak St110G13L.
11. Stale żaroodporne mogą pracować w wysokich temperaturach. Wykorzystywane są do produkcji rur, części zamiennych do turbin gazowych i parowych. Są to głównie próbki wysokostopowe niskowęglowe, które koniecznie zawierają nikiel, który może zawierać dodatki w postacimolibden, nob, tytan, wolfram, bor. Przykładem mogą być St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Odporne na wysoką temperaturę są szczególnie odporne na uszkodzenia chemiczne w powietrzu, gazie i piecu, w środowiskach utleniających i nawęglających, ale wykazują pełzanie pod dużymi obciążeniami. Przedstawicielami tego typu są St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Stale narzędziowe

W tej grupie stopy dzielą się na matryce do narzędzi skrawających i pomiarowych. Istnieją dwa rodzaje stali na matryce.

• Materiał do formowania na zimno powinien mieć wysoki stopień twardości, wytrzymałości, odporności na ścieranie i ciepło. Ale mają wystarczającą lepkość (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Materiał do formowania na gorąco ma dobrą wytrzymałość i twardość. Wraz z odpornością na zużycie i skalowaniem (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Pomiarowe stale narzędziowe, oprócz odporności na zużycie i twardości, muszą być stabilne wymiarowo i łatwe do szlifowania. Z tych stopów powstają kalibry, zszywki, szablony, linijki, wagi, płytki. Przykładem mogą być stopy StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Wyznaczanie grup stali dla narzędzi skrawających jest dość łatwe. Takie stopy muszą mieć zdolność cięcia i wysoką twardość przez długi czas, nawet pod wpływem ciepła. Należą do nich narzędzia węglowe i stopowe, a takżestale szybkotnące. Tutaj możesz wymienić następujących wybitnych przedstawicieli: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Odtlenianie stopu

Określenie stali na podstawie stopnia odtleniania wskazuje na jej trzy rodzaje: spokojną, pół-spokojną i wrzącą. Samo pojęcie odnosi się do usuwania tlenu z ciekłego stopu.

Cicha stal prawie nie emituje gazów podczas krzepnięcia. Jest to spowodowane całkowitym usunięciem tlenu i utworzeniem wgłębienia skurczowego na górze wlewka, które jest następnie odcinane.

W półspokojnej stali gazy są częściowo uwalniane, to znaczy więcej niż w spokojnej stali, ale mniej niż w gotującej się stali. Nie ma tu muszli, jak w poprzednim przypadku, ale na górze tworzą się bąbelki.

Wrzące stopy podczas zestalania uwalniają duże ilości gazu, a w przekroju wystarczy po prostu zauważyć różnicę w składzie chemicznym między górną a dolną warstwą.

Twardość

Ta koncepcja odnosi się do zdolności materiału do opierania się silniejszemu wnikaniu w niego. Oznaczenie twardości stało się możliwe przy użyciu trzech metod: L. Brinella, M. Rockwella, O. Vickersa.

Zgodnie z metodą Brinella kulka z hartowanej stali jest wciskana w oszlifowaną powierzchnię próbki. Badając średnicę nadruku, określ twardość.

Metoda określania twardości stali według Rockwella. Opiera się na obliczeniu głębokości penetracji stożka diamentowego 120 stopni.

Według Vickersa w próbce testowejwciśnięta jest diamentowa piramida czworościenna. Z kątem 136 stopni na przeciwległych ścianach.

Czy możliwe jest określenie gatunku stali bez analizy chemicznej? Specjaliści w dziedzinie metalurgii potrafią rozpoznać gatunek stali po iskrze. Oznaczanie składników metalu jest możliwe podczas jego obróbki. Na przykład:

• Stal CVG ma ciemnokarmazynowe iskry z żółto-czerwonymi kropkami i kępkami. Na końcach rozgałęzionych nitek pojawiają się jaskrawoczerwone gwiazdki z żółtymi ziarnami pośrodku.
• Stal P18 jest również identyfikowana przez ciemnopurpurowe iskry z żółtymi i czerwonymi pęczkami na początku, jednak nici są proste i nie mają widełek. Na końcach wiązek znajdują się iskry z jednym lub dwoma jasnożółtymi ziarnami.
• Gatunki stali ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 mają żółte iskry z jasnymi gwiazdami. I czerwone ziarna na gałęziach.
• Stal U12F wyróżnia się jasnożółtymi iskrami z gęstymi i dużymi gwiazdami. Z kilkoma czerwonymi i żółtymi kępkami.
• Stal 15 i 20 ma jasnożółte iskry, wiele widelców i gwiazd. Ale kilka kępek.

Oznaczanie stali za pomocą iskry to dość dokładna metoda dla specjalistów. Jednak zwykli ludzie nie mogą scharakteryzować metalu, badając tylko kolor iskry.

Spawalność

Właściwość metali do tworzenia połączenia pod pewnym uderzeniem nazywana jest spawalnością stali. Oznaczenie tego wskaźnika jest możliwe po wykryciu zawartości żelaza i węgla.

Uważa się, że są one dobrze połączone przez spawaniestale niskowęglowe. Gdy zawartość węgla przekracza 0,45%, spawalność pogarsza się i pogarsza, gdy zawartość węgla jest wysoka. Dzieje się tak również dlatego, że wzrasta niejednorodność materiału, a na granicach ziaren wyróżniają się wtrącenia siarczkowe, co prowadzi do powstawania pęknięć i wzrostu naprężeń wewnętrznych.

Składniki ze stopu również działają, pogarszając połączenie. Najbardziej niekorzystne dla spawania są takie pierwiastki chemiczne jak chrom, molibden, mangan, krzem, wanad, fosfor.

Jednak zgodność z technologią podczas pracy ze stalami niskostopowymi zapewnia dobry procent spawalności bez stosowania specjalnych środków. Określenie spawalności jest możliwe po ocenie szeregu ważnych właściwości materiału, w tym:

• Prędkość chłodzenia.
• Skład chemiczny.
• Widok pierwotnej krystalizacji i zmian strukturalnych podczas spawania.
• Zdolność metalu do tworzenia pęknięć.
• Tendencja materiału do twardnienia.