By metodom topljenjačelici se dijele na otvorene čelike, konvertorske čelike, električne čelike i čelike proizvedene posebnim metodama topljenja.
By strukturaČelici se dijele na perlitne, austenitne, feritne i karbidne.
By svrha Postoje konstrukcijski čelici, alatni čelici i čelici sa posebnim svojstvima. Od konstrukcijskih čelika izrađuju se stubovi, rešetke, mostovi, dijelovi strojeva itd., od alatnih čelika izrađuju se razni alati: rezni alati (glodala, bušilice, glodala, dlijeta itd.), alati za štancanje (matrice za hladno i toplo štancanje ) i mjerni alat (kalibra, mikrometri, ravnala, kalibri, itd.). Čelici sa posebnim svojstvima su otporni na toplotu, otporni na kamenac, nerđajući (otporni na koroziju) i čelici sa posebnim fizičkim svojstvima: magnetni (tvrdi i meki magnetni), sa visokim električnim otporom, sa posebnim termičkim i elastičnim svojstvima.
By kvalitetaČelici se dijele na čelik obične kvalitete, čelik visokog kvaliteta, čelik visokog kvaliteta i posebno visokokvalitetni čelik. Kvalitet čelika određuje se sadržajem štetnih nečistoća (sumpora i fosfora), nemetalnih inkluzija itd. Na primjer, u čeliku običnog kvaliteta, sadržaj sumpora nije veći od 0,05 , fosfor 0,04 , kvalitet - respektivno 0,03 I 0,035 i visokog kvaliteta - 0,02 I 0,03 %.
By stepen deoksidaciječelici se prave kipući, mirni i polutihi.
U skladu sa GOST-ovima, tope se sljedeće glavne vrste ugljičnih čelika: niskougljični (manje od 0,3% C), srednje ugljični (0,3-0,7% C) i visokougljični (više od 0,7% C); po namjeni: za konstrukcijske obične i visokokvalitetne (uključujući cementirane, poboljšane, visoke čvrstoće i opruge), instrumentalne za alate za rezanje i mjerenje, kao i matrice za hladno (manje od 200°C) i vruće presovanje.
Ugljični čelik običnog kvaliteta za konstrukciju se topi u skladu sa GOST 380-85 i isporučuje se potrošaču u obliku šipki, limova i drugih valjanih profila. Ovisno o namjeni i karakteristikama koje garantuje metalurško postrojenje, čelik se dijeli u tri grupe: A, B, C, koje su, pak, podijeljene u kategorije.
Čelik grupe A se isporučuje prema mehaničkim svojstvima i proizvodi se u sljedećim razredima: St0, St1 kp (sp), St2 kp (ps i sp), St3 kp (ps, gps, gsp), St4 kp (ps), St5 ps, St6sp (ps).
Čelik grupe B se isporučuje prema zagarantovanom hemijskom sastavu i proizvodi se u sledećim klasama: BSt0, BSt1, BSt2, BSt3, BSt4, BSt5, BSt6.
Čelik grupe B isporučuje se sa zagarantovanim mehaničkim svojstvima i hemijskim sastavom i proizvodi se u sledećim klasama: VSt1, VSt2, VSt3, VSt4, VSt5.
Poznavanje kemijskog sastava je neophodno u slučaju kada je čelik potrošača podvrgnut vrućem štancanju, a dijelovi koji su izrađeni od njega podvrgnuti toplinskoj obradi, budući da se temperatura zagrijavanja odabire ovisno o sadržaju ugljika u čeliku.
Prema stepenu deoksidacije, čelik svih grupa sa brojevima 1, 2, 3, 4 proizvodi se kipući, miran i polumiran, a sa brojevima 5 i 6 - samo miran i polumiran. Čelici St0 i BSt0 se ne razlikuju po stepenu deoksidacije. Čelici VSt1, VSt2, VSt3 svih stupnjeva deoksidacije isporučuju se sa garancijom zavarljivosti.
Objašnjenje brendova:
a) slova B i B ispred slova St - grupa čelika; grupa A nije naznačena, na primjer St3, BSt3, VSt3;
b) slova St - čelik, brojevi od 0 do 6 - konvencionalni broj marke; Kako se broj povećava, sadržaj ugljika u čeliku i njegova čvrstoća se povećavaju. Na primjer, u čelicima St3 i St5 sadržaj ugljika je redom: 0,14-0,22 i 0,23-0,37%; privremeni otpor σ B: 380-490 (38-49) i 560-640 (56-64) MPa (kgf/mm 2);
c) slova dodana iza broja marke označavaju stepen deoksidacije: kp - ključanje, ps - polumirno, sp - mirno, na primjer St3kp;
d) slovo G - povećan sadržaj mangana (St3Gps, VSt3Gsp);
Visokokvalitetni konstrukcijski čelik topljeno prema GOST 1050-88, isporučeno prema hemijskom sastavu i mehaničkim svojstvima sljedećih razreda: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. prosječan sadržaj (maseni udio) ugljika u stotim dijelovima procenta. Pored navedenog, isporučuju se čelici 05 i 58 (55 pp - čelik smanjene kaljivosti).
By deoksidacija tali se čelici: kipući čelik (kp) - 05 kp, 08 kp, 10 kp, 15 kp, 20 kp; polu-tihi (ps) - 08 ps, 10 ps, 15 ps, 20 ps (čelični lim za hladno štancanje); mirno (sp) - 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 (sp indeks nije uključen u marku).
By stanječelik se proizvodi bez termičke obrade, termički obrađen T (žaren, visoko kaljen ili normalizovan) i hladno obrađen H (kalibriran, srebro).
By svrha razlikuju se podgrupe čelika: a - za obradu vrućim pritiskom; b - za hladnu obradu (struganje, glodanje, urezivanje, itd.); c - za hladno izvlačenje.
Opruge i opruge se izrađuju od čelika topljenog u skladu sa GOST 14959-79 (ugljenični i legirani opružni čelik). Ugljični opružni čelik se isporučuje u obliku okruglih, kvadratnih i profilnih šipki, traka i namotaja sljedećih razreda: 65, 70, 75, 80 i 85.
Ugljični alatni čelik topljeno prema GOST 1435-90, isporučeno prema hemijskom sastavu i mehaničkim svojstvima (tvrdoća). Prema hemijskom sastavu čelik se deli na visokokvalitetni i visokokvalitetni. Visokokvalitetni čelici sadrže štetne nečistoće sumpora ne više od 0,03 i fosfora 0,035%. U visokokvalitetnim čelicima nema više od 0,02% sumpora i 0,03% fosfora, manje nemetalnih inkluzija nego u visokokvalitetnim čelicima, a granice sadržaja silicija i mangana su također sužene. Čelik se isporučuje u žarenom stanju tvrdoće od NV 187-217. Tvrdoća nakon gašenja H.R.C. 62.
Vrste čelika: kvalitet - U7, U8, U9, U10, U11, U12, U13; visokog kvaliteta - U7A, U8A, U9A, U10A, U11A, U12A, U13A. Proizvode se i čelici sa visokim sadržajem mangana, razreda U8G i U8GA, u kojima je sadržaj mangana u rasponu od 0,35-0,60%.
U oznaci marke, slovo U označava ugljični alatni čelik, brojevi označavaju prosječan maseni sadržaj ugljika u desetinkama procenta, slovo A označava visokokvalitetni čelik, slovo G znači visok sadržaj mangana.
Dleta, čekići, odvijači, centri za strug (U7, U7A);
Probijači, matrice, makaze, pile (U8, U8A);
Jezgra, alati za obradu drveta (U9, U9A);
Rezači, slavine, razvrtači, rezači (U10, U10A);
Matrice za sečenje, testere, kalupi (U11, U11A);
Rezači, bušilice, rezači, slavine (U12, U13, U13A).
Automatski čelik se topi prema GOST 1414-75 sljedećih razreda: A11, A12, A20, A30, A35E, A40G. Čelik sadrži štetne aditive sumpora 0,08-0,25 i fosfora 0,06-0,15%. Da bi se poboljšala obradivost rezanjem, u čelik (AC14, AC35G i A35E) se unose olovo (do 0,3%), mangan (do 1,5%) i selen (do 0,1%).
Područje primjene:
Dijelovi za pričvršćivanje (vijci, matice);
Čaure, valjci, dijelovi motora.
Livački čelik se topi prema GOST 977-79 sljedećih klasa: 15L, 20L, ..., 55L.
Legirani čelici, njihove vrste i klase
Legirani čelici se razlikuju od ugljičnih čelika:
Povećana otpornost na toplinu, otpornost na koroziju;
Značajna udarna čvrstoća;
Visoke vrijednosti σ t i γ;
Visoka električna otpornost;
Imaju bolju stvrdljivost;
Povećajte količinu zadržanog austenita.
U faznom dijagramu, Fe - legirajući element Ni i Mn - proširuju područje postojanja γ-faze; Mo, Ti - suziti područje postojanja γ-faze; Si, Al, W, Sn, Mo i Ti - proširuju područje α-faze. Glavni legirajući elementi u čeliku su Cr, Ni, Si, Mn. Nikl - povećava duktilnost i žilavost čelika; smanjuje temperaturu praga lomljivosti na hladnoću; smanjuje osjetljivost čelika na koncentraciju naprezanja. Krom povećava otpornost čelika na toplinu i koroziju; povećava električni otpor; smanjuje koeficijent linearne ekspanzije; povećava kaljivost čelika; usporava razgradnju martenzita. Silicij povećava otpornost čelika na toplinu; otežava stvaranje i rast čestica cementita; koristi se kao deoksidacijsko sredstvo u topljenju čelika.
W, Mo, V, Ti, B - dodatno poboljšavaju svojstva čelika. Mo i W - povećavaju kaljivost čelika (+ Ni); promovirati mljevenje zrna; suzbija lomljivost čelika.
V, Ti, Ni, Zr - formiraju karbide koji su slabo rastvorljivi u austenitu; (do 0,15%) samljeti zrna; smanjiti prag hladnoće lomljivosti.
IN- povećava čvrstoću i kaljivost čelika (0,001-0,005%).
Efikasnost legiranih elemenata postiže se njihovim optimalnim sadržajem u čeliku.
Legirani čelici se klasifikuju:
Prema vrsti ravnotežne strukture;
Struktura nakon normalizacije;
Hemijski sastav;
Svrha.
Legirani čelici su klasifikovani kao: hipoeutektoidni (ferit + legirani perlit); hipereutektoid (legirani perlit + karbidi); eutektoid.
Čelici se dijele u 3 glavne klase:
Perlitni (sorbitol, trostit i bainit);
Martenzit (u legiranim);
Austenit (u visokim legurama).
Legirani čelici se dijele na:
By hemijski sastav: za hrom; mangan; hrom-nikl; hrom-nikl-molibden, itd.;
By ukupna količina legirajućih elemenata u njima: za niske legure (do 2,5%); legirana (2,5-10%); visoko legirane (preko 10%);
By svrha: za konstrukcijske (cementirane, poboljšane); instrumental; sa posebnim svojstvima ("automatska" opruga, kuglični ležaj, čelik otporan na habanje, otporan na koroziju, otporan na toplotu, otporan na toplotu, električni, itd.).
Označavanje legiranih čelika: A - azot, B - niobij, B - volfram, G - mangan, D - bakar, E - selen, T - titan, K - kobalt, N - nikl, M - molibden, P - fosfor, P - bor, C - silicijum, F - vanadijum, X - hrom, C - cirkonijum, Ch - retka zemlja, Yu - aluminijum.
Mašinski čelici za očvršćavanje sadrže 0,1-0,3% ugljenika i 0,2 - 4,4% legirajućih elemenata. Nakon zasićenja ugljikom, kaljenja i niskog kaljenja, dijelovi od takvih čelika imaju visoku površinsku tvrdoću (do 58-63 H.R.C.) sa viskoznim središnjim dijelom. Čelici 15HF, 15H, 20H (sa granom tečenja do 700 MPa) koriste se za izradu malih opterećenih dijelova koji doživljavaju umjerena naizmjenična i udarna opterećenja.
Čelici 12HNZA, 20HNZA, 20HN4A (sa granom tečenja većom od 700 MPa) koriste se za proizvodnju srednjih i velikih dijelova koji rade u uvjetima intenzivnog habanja i povećanih opterećenja. Posebno kritični dijelovi, na primjer, zupčanici avionskih i brodskih motora, izrađeni su od čelika 18H2N4MA, 18H2N4VA. Ekonomski legirani čelici 18KhGT, 30KhG, 25KhGT imaju nasljednu sitnozrnu strukturu, što omogućava smanjenje tehnološkog ciklusa obrade dijelova. Takvi čelici se koriste za proizvodnju kritičnih dijelova za masovnu i masovnu proizvodnju.
Legirani čelici poboljšani u mašinogradnji sadrže 0,3-0,5% ugljika i do 5% legirajućih elemenata. Koriste se uglavnom nakon poboljšanja (otvrdnjavanje i visoko kaljenje na temperaturi od 500°C - 600 °C za sorbitol). Glavna primjena su kritični dijelovi strojeva koji rade pod cikličkim ili udarnim opterećenjima. Za izradu umjereno opterećenih malih dijelova mašina i mehanizama bez značajnih dinamičkih opterećenja koriste se hromirani čelici 30H, 38H, 40H, 50H.
S povećanjem sadržaja ugljika, čvrstoća ovih čelika raste, ali se njihova žilavost i duktilnost donekle smanjuju. Od krom-nikl čelika 40KhN, 50KhN, kao i od krom-silicijum-mangan čelika 30KhGSA, 35KhGSA, koji imaju svojstva visoke čvrstoće i žilavosti, izrađuju se kritični dijelovi koji rade pod utjecajem dinamičkih opterećenja.
Krom-nikl-molibden čelici 40HNMA, 38HMZMA imaju povećana mehanička svojstva na temperaturama do 450 °C.
Maraging čelika visoke čvrstoće(sa vlačnom čvrstoćom od 1800-2000 MPa) - legure gvožđa i nikla bez ugljenika (ne više od 0,03% C), legirane kobaltom, molibdenom, titanom i drugim elementima. Visoka mehanička svojstva čelika HI8K9M5T, H12KI5M10 postižu se kombinacijom martenzitne g ® a transformacije, martenzitnog starenja i legiranja u čvrstom rastvoru. Ovi čelici zadržavaju visoke mehaničke karakteristike na niskim temperaturama sve do temperature tečnog plina. Takvi čelici su otporni na temperaturu do 500 - 700 °C. Koriste se za kritične dijelove u avijaciji i brodogradnji.
Konstrukcioni čelici otporni na habanje imaju visoku otpornost na kontaktni zamor i abraziju zbog visoke tvrdoće, ujednačenosti strukture, minimalnog sadržaja nemetalnih inkluzija i metalurških defekata. Toplinska obrada (kaljenje i nisko kaljenje) čelika ShKh15GS osigurava njihovu tvrdoću H.R.C. 60-66. Za dijelove koji rade u agresivnim sredinama (morska voda, otopine slabih kiselina, alkalije) koristi se visokougljični čelik otporan na koroziju 95X18.
Dijelovi koji rade pod utjecajem udarnih opterećenja, što uzrokuje njihovo površinsko otvrdnjavanje i, posljedično, smanjenje otpornosti na habanje konvencionalnih čelika, izrađeni su od austenitnog visokomanganskog čelika G13L. Za izradu dijelova koji rade u uvjetima trenja klizanja koristi se grafitizirani čelik koji ima strukturu feritno-cementitne mješavine i grafita. Potonji igra ulogu maziva koje sprječava zaglavljivanje dijelova u kontaktu.
Čelici i legure otporni na koroziju otporan na koroziju na zraku, vodi (uključujući morsku) i nizu kiselina, soli i lužina. Kromirani čelici X25T, X28, koji imaju feritnu strukturu, koriste se za izradu dijelova koji se koriste u vrlo agresivnim okruženjima, na primjer, u ključaloj dušičnoj kiselini. Krom-nikl čelici 04H18N10, 08H18N10, 12H12N10T, koji imaju austenitnu strukturu, koriste se u avionskoj i brodogradnji.
Čelici i legure otporni na toplinu osigurati rad dijelova na temperaturama iznad 500 °C. Za dijelove koji rade u okruženju s temperaturom od 500 - 580 °C, koristite čelike sa niskim udjelom ugljenika lamelarne perlitne strukture, legirane kobaltom, molibdenom, vanadijem, posebno 16M, 25HM, 12H1MF. Opterećeni delovi koji rade u okruženju sa temperaturama do 450-470 °C izrađeni su od visokohromiranih čelika 15X11NMF, 1HKVNMF, koji imaju strukturu sorbitola ili troostita, u zavisnosti od temperature kaljenja.
Čelik je najčešći materijal u mašinstvu. Stvaranje novih, naprednijih mašina stimuliše stvaranje čeličnih klasa sa svojstvima koja zadovoljavaju savremene zahteve u mašinstvu. U isto vrijeme, prethodno stvorene vrste čelika, uzimajući u obzir nove tehnologije za njihovu proizvodnju, i dalje su tražene od strane dizajnera prilikom stvaranja novih i poboljšanja postojećih strojeva. Uobičajeno je razlikovati sljedeće grupe čelika:
- ugljenični čelici, koji čine oko 80% ukupne zapremine,
- legirani konstrukcioni i alatni čelici,
- čelici sa posebnim svojstvima za posebne namjene itd.
1. Ugljični čelik običnog kvaliteta
Oni su među najjeftinijim i najčešće korištenim. Od njih se dobije do 70% svih valjanih proizvoda - toplo valjanih, dugo- i oblikovanih debelo- i tankih limova, širokovaljanih i hladno valjanih tankih limova. Ovi čelici se koriste za izradu cijevi, otkovaka, štancanja, traka, žice, metalnih proizvoda (okov): ekseri, užad, mreže, vijci, matice, zakovice, kao i laki i srednje opterećeni dijelovi; igle, podloške, ključevi, poklopci, kućišta, a od čelika broj 4-6 - osovine, vijci, zupčanici i vretena. Obični kvalitetni čelici dobro zavaruju.
Ovisno o namjeni, ugljični čelici običnog kvaliteta dijele se (GOST 380-94) u tri grupe:
- A – isporučuje se prema mehaničkim svojstvima,
- B – isporučuje se prema hemijskom sastavu,
- B – isporučuje se prema mehaničkim svojstvima i hemijskom sastavu.
Ovisno o standardiziranim pokazateljima (karakteristike čvrstoće, kemijski sastav), čelik svake grupe podijeljen je u kategorije:
- grupa A – 1, 2 i 3;
- grupa B – 1., 2.;
- grupa B – 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Pisma Sv znači "čelik", brojevi od 0 prije 6 – konvencionalni broj marke koji karakterizira mehanička svojstva čelika. Kako se broj razreda povećava, vlačna čvrstoća σ in i granica popuštanja σ t se povećavaju, a relativno istezanje δ se smanjuje. Za označavanje stepena deoksidacije, indeksi se postavljaju iza broja marke: kp– ključanje, ps- polumirno, zajedničko ulaganje– mirno (na primjer: StZkp, StZps, StZsp; tabele 1 i 2).
Mehanička svojstva ugljičnog čelika običnog kvaliteta grupe A i približna namena ugljeničnog čelika običnog kvaliteta date su u tabeli. 1.
Tabela 1. Ugljični čelici, njihova mehanička svojstva i namjena
| razreda čelika | Svojstva | Približna namjena | ||
| σ in, MPa | σ t, MPa | δ, % | ||
| St0 | Ne manje | – | 23 | Neodgovorne građevinske konstrukcije, brtve, podloške, kućišta. Zavarljivost je dobra |
| St1kp St1ps, St1sp | 300-390 | – | 35 | Lako opterećeni dijelovi metalnih konstrukcija – zakovice, podloške, klinovi, brtve, kućišta. Zavarljivost je dobra |
| St2kp St2ps, St2sp | 320-410 | 215 | 33 | Detalji metalnih konstrukcija - okviri, osovine, ključevi, valjci, cementirani dijelovi. Zavarljivost je dobra |
| StZkp StZps, StZsp StZGps | 360-460 | 235 | 27 | Okviri postolja, cementirani i cijanidirani dijelovi, koji zahtijevaju veliku površinsku tvrdoću i niska čvrstoća jezgra, kuke za kran, prstenovi, cilindri, klipnjače, kape |
| St4kp St4ps, St4sp | 400-510 | 255 | 25 | Osovine, osovine, šipke, igle, kuke, vijci, matice, dijelovi sa niskim zahtjevima za čvrstoćom |
| St5ps, St5sp | 490-630 | 285 | 20 | Osovine, osovine, lančanici, pričvršćivači, zupčanici kotači, klipnjače, dijelovi sa povećanim zahtjevima za čvrstoćom |
| St6ps | Ne manje | 315 | 15 | Osovine, osovine, čekić glave, vretena, spojnice brega i trenje, lanci, dijelovi visoke čvrstoće |
Da bi se mogli prepoznati klase čelika tokom skladištenja, valjani proizvodi su označeni neizbrisivom bojom. Da biste to učinili, bez obzira na grupu i stupanj deoksidacije čelika, koristite boju boja navedenih u tabeli. 2.
Tabela 2. Boja za označavanje ugljeničnog čelika običnog kvaliteta
| razreda čelika | Boja označavanja | razreda čelika | Boja označavanja |
| St0 | Crvena i zelena | StZGps | Crvena i plava |
| St1 | Bijelo i crno | St4 | Crna |
| St1Gps | Bijelo i crveno | St4Gps | Crno i crveno |
| St2 | Žuta | St5 | Zeleno |
| St2Gps | Žuta i crvena | St6Gps | Zeleno i bijelo |
| St3 | Crveni | St6 | Plava |
2. Visokokvalitetni ugljični čelik za konstrukciju
Oni su glavni metal za izradu mašinskih dijelova (osovina, vretena, osovine, zupčanici, ključevi, spojnice, prirubnice, tarni diskovi, vijci, matice, graničnici, šipke, hidraulički cilindari, ekscentri, lančanici, itd.), koji , prilikom interakcije u radnoj mašini, oni opažaju i prenose opterećenja različite veličine. Ovi metali su dobro obrađeni pritiskom i rezanjem, liveni i zavareni, podvrgnuti su termičkoj, termomehaničkoj i hemijsko-termičkoj obradi.
Različite posebne vrste obrade osiguravaju žilavost, elastičnost i tvrdoću čelika, što omogućava izradu dijelova koji su u jezgri viskozni i tvrdi izvana, što dramatično povećava njihovu otpornost na habanje i pouzdanost. Visokokvalitetni ugljični konstrukcijski čelici koriste se za proizvodnju valjanih proizvoda, otkovaka, kalibriranog čelika, srebrnog čelika, dugog čelika, štancanja i ingota.
Tabela 3. Osnovna svojstva visokokvalitetnog ugljičnog konstrukcijskog čelika
| Brand | Mehanička svojstva | Fizička svojstva | Tehnološka svojstva | ||||||||||
| σ t | σ in | δ, % | a n J/cm 2 | NV | γ, g/cm 3 | λ, W/(m °S) | α·10 6,1/°S | tretmani- produktivnost rezanje | zavarivanje | interval temperature | plastika hladno obrada | *vruće- | |
| MPa | |||||||||||||
| 08 | 196 | 324 | 33 | – | 126 | 7,83 | 811 | 11,6 | IN | BB | 800-1300 | BB | * |
| 10 | 206 | 321 | 31 | – | 140 | 7,83 | 811 | 11,6 | IN | BB | 800-1300 | BB | * |
| 15 | 225 | 373 | 27 | – | 145 | 7,82 | 770 | 11,9 | IN | BB | 800-1250 | BB | * |
| 20 | 245 | 412 | 25 | – | 159 | 7,82 | 770 | 11,1 | IN | BB | 800-1280 | IN | * |
| 25 | 274 | 451 | 23 | 88 | 166 | 7,82 | 732 | 11,1 | IN | BB | 800-1280 | IN | * |
| 30 | 294 | 490 | 21 | 78 | 175 | 7,817 | 732 | 12,6 | IN | IN | 800-1250 | IN | * |
| 35 | 314 | 529 | 20 | 69 | 203 | 7,817 | 732 | 11,09 | IN | IN | 800-1250 | IN | * |
| 40 | 321 | 568 | 19 | 59 | 183 | 7,815 | 596 | 12,4 | IN | U | 800-1250 | U | ** |
| 45 | 363 | 598 | 16 | 49 | 193 | 7,814 | 680 | 11,649 | IN | U | 800-1250 | U | ** |
| 50 | 373 | 627 | 14 | 38 | 203 | 7,811 | 680 | 12,0 | U | U | 800-1250 | U | ** |
| 55 | 382 | 647 | 13 | – | 212 | 7,82 | 680 | 11,0 | U | N | 800-1250 | N | ** |
| 60 | 402 | 676 | 12 | – | 224 | 7,80 | 680 | 11,1 | U | N | 800-1240 | N | ** |
| Bilješka. N – nizak, U – zadovoljavajući, V – visok, BB – veoma visok. | |||||||||||||
Visokokvalitetni konstrukcijski čelici imaju veća mehanička svojstva (GOST 1050-88) od čelika običnog kvaliteta, zbog nižeg sadržaja fosfora, sumpora i nemetalnih inkluzija. Prema vrsti obrade dijele se na toplo valjane, kovane, kalibrirane i srebrne (sa posebnom površinskom završnom obradom).
Oznaka razreda čelika sastoji se od riječi "čelik" i dvocifrenog broja koji označava prosječni sadržaj ugljika u stotim dijelovima procenta. Na primjer, čelik 25 sadrži 0,25% ugljika (dozvoljena količina ugljika - 0,220,30%), čelik 60-0,60% (dozvoljena količina -0,57-0,65%). Stepen deoksidacije se ne odražava na razrede mirnih čelika, ali na razrede polumirnih i kipućih čelika, kao i čelika običnog kvaliteta, označava se slovima "ps" odnosno "kp". U visokokvalitetnim konstrukcijskim čelicima svih razreda, sadržaj sumpora ne smije biti veći od 0,040%, a fosfora - ne više od 0,035%.
Glavna svojstva visokokvalitetnog ugljičnog konstrukcijskog čelika data su u tabeli. 3, glavna namjena - u tabeli. 4. Boje za označavanje su date u tabeli. 5.
Tabela 4. Visokokvalitetni ugljični čelik za konstrukcijske svrhe, njihova glavna namjena
| razreda čelika | Glavna svrha |
| Čelik 08kp, 10 | Dijelovi proizvedeni hladnim štancanjem i hladnim cepanjem, cijevi, zaptivke, zatvarači, kapice. Cementirani i cijanidirani dijelovi koji ne zahtijevaju veliku čvrstoću jezgra (čaure, valjci, graničnici, kopir mašine, zupčanici, frikcioni diskovi) |
| Čelik 15, 20 | Lako opterećeni dijelovi (valjci, igle, graničnici, kopir mašine, osovine, zupčanici). Tanki dijelovi izloženi habanju, poluge, kuke, traverze, obloge, vijci, spojnice itd. |
| Čelik 30, 35 | Dijelovi koji su izloženi malom naprezanju (osovine, vretena, lančanici, šipke, poprečne poluge, poluge, diskovi, vratila) |
| Čelik 40, 45 | Dijelovi koji zahtijevaju povećanu čvrstoću (radilice, klipnjače, zupčanici, bregaste osovine, zamašnjaci, zupčanici, klinovi, čegrtaljke, klipovi, vretena, tarni diskovi, osovine, spojnice, letve, kotrljajući valjci itd.) |
| Čelik 50, 55 | Zupčanici, valjci za kotrljanje, šipke, zavoji, osovine, ekscentrici, lagano opterećene opruge i lisnate opruge itd. Koriste se nakon stvrdnjavanja uz visoko kaljenje iu normaliziranom stanju |
| Čelik 60 | Dijelovi visoke čvrstoće i elastičnosti (valjci za kotrljanje, ekscentrici, vretena, opružni prstenovi, opruge i diskovi kvačila, opruge amortizera). Nanesite nakon stvrdnjavanja ili nakon normalizacije (veliki dijelovi) |
Tabela 5. Kvalitetne boje za označavanje ugljeničnog čelika
3. Ugljični alatni čelik
Alatni ugljenični čelici koriste se za proizvodnju toplo valjanog, kovanog i kalibriranog čelika, srebrnog čelika, čelika za jezgra, kao i ingota, limova, traka, žice i drugih proizvoda. Ovi čelici se koriste za izradu reznih alata za obradu metala, drveta i plastike, mjernih alata i kalupa za hladnu deformaciju.
Otpornost na toplinu alatnih ugljičnih čelika ne prelazi 200°C, a zagrijavanjem iznad te temperature gube tvrdoću, a time i svojstva rezanja i otpornost na habanje.
Ugljični alatni čelici mogu se podijeliti u dvije grupe (GOST 1435-99):
- kvalitetni čelici U7, U8, U8G, U9, U10, U11, U12 i U13;
- visokokvalitetne marke U7A, U8A, U8GA, U9A, U10A, U NA, U12A i U13A.
U visokokvalitetnim alatnim ugljičnim čelicima dozvoljeni sadržaj je 0,03% sumpora i 0,035% fosfora, u visokokvalitetnim čelicima 0,02% sumpora i 0,03% fosfora. Čelici proizvedeni elektrotroskom pretapanjem sadrže do 0,015% sumpora. Ovisno o sadržaju hroma, nikla i bakra, ugljični alatni čelici dijele se u pet grupa:
- 1. – visokokvalitetni čelici svih razreda, namijenjeni za izradu proizvoda svih vrsta (osim patentirane žice i trake);
- 2. – visokokvalitetni čelici svih razreda, namijenjeni za iste namjene kao i čelici prve grupe;
- 3. – čelik razreda U10A i U12A za proizvodnju jezgara;
- 4. – čelik svih razreda za proizvodnju patentirane žice i trake;
- 5. – čelik razreda U7÷U13 za proizvodnju toplo- i hladno valjanih limova i traka, uključujući i termički obrađene debljine do 2,5 mm (osim patentirane trake), kao i čelik ovih razreda za proizvodnja toplovaljanog i kovanog čelika i hladno vučenog poliranog čelika (srebro).
Alatni čelik mora imati visoku tvrdoću (63÷64 HRC 3), koja znatno premašuje tvrdoću materijala koji se obrađuje, otpornost na habanje i toplinu (sposobnost održavanja svojstava na visokim temperaturama).
Mjerni instrument napravljen od takvog čelika mora biti izdržljiv (a = 590÷640 MPa) i dugo vremena održavati propisane dimenzije i oblik. Radni dijelovi kalupa i valjaka za hladnu deformaciju (izvlačenje, savijanje, namještanje, probijanje rupa, narezivanje, valjanje) izrađeni od ovog čelika moraju imati visoku tvrdoću i otpornost na habanje uz dovoljnu žilavost. Sve se to postiže kaljenjem i kaljenjem, a za mjerne instrumente, vještačkim starenjem. U tabeli 6 prikazana su svojstva ugljeničnog alatnog čelika, tabela. 7 – približna namjena alatnog ugljičnog čelika.
Tabela 6. Svojstva ugljeničnog alatnog čelika (GOST 1435 - 74)
| razreda čelika | Mehanička svojstva | ||||
| σ t | σ in | δ, % | J/cm 3 | HRS | |
| U7A | 630 | 21 | – | 63 | |
| U8A | – | 590 | – | – | 63 |
| U10A | – | 590 | 23 | – | 63 |
| UNA | – | – | – | – | 63 |
| U12A | – | 640 | 28 | – | 64 |
| U13A | – | – | – | – | 64 |
Tabela 7. Približna namjena karbonskog alatnog čelika
| razreda čelika | Svrha |
| U9 | Rezni alat za obradu drveta (bušilice, sekači, noževi) i listovi testere za obradu čelika |
| U10, U11 i U12 | Alati za rezanje metala (oblikovane glodalice, burgije, slavine, kalupi, razvrtači, glodala, turpije i olovni vijci preciznih mašina) |
| U13 | Noževi za brijanje, hirurški instrumenti i turpije sa oštricom |
| U7 i U8 | Čekići, dlijeta, čeljusti, šabloni, spajalice |
| U8, U9 i U10 | Mikrometarski dijelovi alata, glatki i navojni mjerači, stezne čahure, tarni diskovi, opruge itd. |
U pravilu, izradi alata prethodi žarenje za granulirani cementit, čime se pospješuje bolja obradivost i smanjuje savijanje dijelova tijekom stvrdnjavanja.
Ugljenični čelici sadrže ugljik do 2,14%, mangan (do 0,8%), silicijum (do 0,35%), sumpor (do 0,06%) i fosfor (do 0,07%). Navedeni elementi su uvijek prisutni u čeliku, te se stoga svrstavaju u kategoriju trajne nečistoće. Mangan i silicijum se unose u čelik radi deoksidacije; prisustvo sumpora i fosfora objašnjava se teškoćom njihovog uklanjanja tokom topljenja.
Silicijum se otapa u feritu i u velikoj meri ga jača, a istovremeno smanjuje duktilnost i značajno povećava granicu tečenja. Ovo smanjuje sposobnost čelika da se vuče i hladi. Stoga, u čelicima namijenjenim za hladno štancanje, sadržaj silicija treba smanjiti.
Mangan povećava čvrstoću ferita i smanjuje crvenu lomljivost čelika uzrokovanu sumporom. Sa gvožđem sumpor stvara FeS sulfid, koji je praktično nerastvorljiv u gvožđu i sa njim formira eutektik (Fe + FeS), koji se topi na temperaturi od 988°C. Tokom kristalizacije, ovaj eutektik se nalazi oko zrna u obliku oboda. Prilikom vruće obrade, kada se zagrije iznad 1000°C, eutektika se topi, što dovodi do narušavanja veze između zrna i kida, a prilikom deformacije u metalu nastaju pukotine. Ovaj fenomen se zove crvena krhkost postati. U prisustvu mangana u čeliku, umjesto željeznog sulfida, nastaje mangan sulfid MnS s tačkom topljenja od 1620°C, čime se eliminira pojava crvene krhkosti.
Jedinjenja sumpora smanjuju mehanička svojstva, posebno udarnu čvrstoću i duktilnost, naglo smanjuju rad na razvoju duktilne pukotine i žilavost loma K 1C. Sulfidi smanjuju zavarljivost i otpornost na koroziju.
Fosfor se u malim količinama rastvara u gvožđu, formirajući čvrstu otopinu. Rastvarajući se u feritu, fosfor smanjuje njegovu duktilnost i žilavost i naglo povećava prag hladnokrtosti čelika. Svakih 0,01% fosfora povećava temperaturu prijelaza hladnokrhkosti za 20...25 o C. Pri povećanom sadržaju fosfor i željezo formiraju fosfide Fe 3 P i Fe 2 P, koji se kao dio eutektike nalaze duž granice zrna i smanjuju čvrstoću čelika.
U čelicima postoje takozvane skrivene nečistoće koje uključuju kiseonik 0,002...0,008%), azot (0,002...0,007%), vodonik (0,0001...0,0007%). Ove nečistoće mogu biti prisutne u čeliku u obliku krhkih nemetalnih inkluzija (FeO, Al 2 O 3, Fe 4 N) ili čvrste otopine, a mogu biti i slobodne u defektnim područjima metala (pukotine, šupljine itd. .). Kada se tope, otapaju se u čeliku, a zatim se talože pri hlađenju, uglavnom duž granica zrna, što smanjuje otpornost na krto lomljenje. Osim toga, nemetalne inkluzije su koncentratori naprezanja. Prisutnost vodika uzrokuje pojavu ljuskica u legiranim čelicima (mikrodiskontinuiteti metala prečnika do 10...15 mm u središnjem dijelu otkovka).
Nemetalne inkluzije su krte i lome se prilikom valjanja, raspoređene u čeliku u obliku lanaca. Ovo stvara mikroskopske koncentratore naprezanja, što smanjuje karakteristike zamora i žilavost.
Neke nečistoće ulaze u čelik tokom topljenja iz otpada i nazivaju se nasumično. Takve nečistoće uključuju hrom, nikl, bakar u prisustvu do 0,3%. Njihov utjecaj u takvim količinama na svojstva čelika je beznačajan.
Ugljik ima najveći utjecaj na svojstva čelika. Na slici 6 prikazana je ovisnost čvrstoće i duktilnosti čelika o sadržaju ugljika u njemu. Može se vidjeti da ugljik vrlo naglo povećava svojstva čvrstoće dok istovremeno smanjuje duktilnost i žilavost. To se objašnjava činjenicom da inkluzije cementita inhibiraju kretanje dislokacija u feritu i, naravno, kako se broj povećava, njihov utjecaj se povećava.
Kako se količina ugljika povećava, temperatura prijelaza hladnokrhkosti čelika naglo raste. Svakih 0,1% C povećava temperaturu prijelaza iz duktilnog u krhki lom za 20 o C.
Ugljik također utječe na druga fizička svojstva čelika, posebno s povećanjem količine ugljika, povećava se električni otpor i koercitivna sila, a magnetska permeabilnost se smanjuje.
Ugljični čelici se dijele prema načinu proizvodnje ovisno o korištenim jedinicama za topljenje konverter, otvoreni i električni čelik. Istovremeno, prema metodi deoksidacije, čelik može biti ključanje(deoksidisan samo manganom), polu-mirno(deoksidirani manganom i silicijumom) i miran(deoksidiran manganom, silicijumom i aluminijumom).
Slika 6 - Zavisnost mehaničkih svojstava čelika (a) i
fazni sastav (b) na sadržaj ugljika
1.4.2.1 Klasifikacija i označavanje ugljeničnih čelika
Prema strukturi u ravnotežnom stanju razlikuju se hipoeutektoidni, eutektoidni i hipereutektoidni čelici. Hipoeutektoidni čelici sadrže ugljik od 0,025 do 0,8%, njihova struktura se sastoji od ferita i perlita. Sadržaj ugljika u eutektoidnom čeliku je 0,8% C s potpuno perlitnom strukturom. U hipereutektoidnim čelicima, uz perlitnu komponentu, formiraju se cementitne inkluzije, a sadržaj ugljika može varirati od 0,8 do 2,14%.
Najčešća klasifikacija ugljičnih čelika je po kvalitetu, koji je određen sadržajem sumpora i fosfora.U skladu sa ovom karakteristikom, čelici se klasifikuju običnog kvaliteta, visokog kvaliteta i visokog kvaliteta.
Ugljični čelici običnog kvaliteta (tablica 1) označeni su slovima Sv, što znači čelik. Poslije Sv nakon čega slijedi uobičajeni broj marke od 0 do 6, koji odražava kemijski sastav čelika. Stepen deoksidacije čelika je označen slovima kp, ps, sp, što znači, respektivno, ključanje (deoksidirano manganom), polumirno (deoksidirano manganom i silicijumom), mirno (deoksidirano manganom, silicijumom i aluminijumom). Maseni udio sumpora u čelicima svih razreda je 0,050£, fosfora – 0,040£, u St0 sumpora – 0,060£, fosfora – 0,070£.
Nerijetko se mogu naći i oznake iz prethodnih godina, prema kojima se sav čelik običnog kvaliteta dijeli u tri grupe.
Grupa A – označene St0, St1, St2, St3, St4, St5, St6.
Grupa B - označena slovima M, K, B (što označava način proizvodnje - ložište, konverter, Bessemer), a zatim St0, St1, St2, St3, St4, St5, St6.
Grupa B – oznake VSt1, VSt2, VSt3, VSt4, VSt5, VSt6.
Čelici grupe A se isporučuju sa zagarantovanim mehaničkim svojstvima. Nisu podložni toploj obradi. Što je veći broj, veća je čvrstoća, ali je niža duktilnost čelika.
Čelici grupe B se isporučuju sa zagarantovanim hemijskim sastavom i mogu se podvrgnuti toploj obradi (na primer, kovanje i termička obrada) na lokaciji potrošača.
Čelici grupe B se isporučuju sa zagarantovanim mehaničkim svojstvima i hemijskim sastavom (koristi se za zavarene konstrukcije).
Tabela 1 - Hemijski sastav običnih ugljičnih čelika
kvaliteta
Čelici svih grupa sa razredima 1, 2, 3, 4 prema stepenu deoksidacije proizvode se kipući, polumirni i mirni, a čelici 5 i 6 su polumirni i mirni.
Karbon kvalitetačelici se od običnog kvalitetnog čelika razlikuju po tome što imaju manji sadržaj sumpora (ne više od 0,04%) i fosfora (ne više od 0,035%), kao i manju količinu nemetalnih inkluzija. Hemijski sastav ovih čelika je ograničen na uži raspon. Visokokvalitetni ugljični čelici su označeni riječju čelika i slijedeći dvocifreni broj, koji pokazuje prosječan sadržaj ugljika u čeliku u stotim dijelovima procenta, na primjer, 08, 10, 15, itd. (Tabela 2).
Tabela 2 - Sastav i mehanička svojstva visokokvalitetnih ugljičnih čelika
| razreda čelika | SA, % | Mn,% | Si, % | Cr, % | s 0,2, MPa | s in, MPa | δ,% | y, % | KCU, J/cm 2 |
| 0,05-0,12 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,10 | - | |||||
| 0,07-0,14 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,15 | - | |||||
| 0,12-0,19 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,17-0,24 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,22-0,30 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,27-0,35 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,5 | ||||||
| 0,32-0,40 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,37-0,45 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,42-0,50 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,47-0,55 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | ||||||
| 0,52-0,60 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,57-0,65 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | - |
Prilikom označavanja kipućeg ili polumirnog čelika, stupanj deoksidacije je naveden slovima na kraju razreda kp, ps. U slučaju mekog čelika, stepen deoksidacije nije naznačen. U visokokvalitetne ugljične čelike spadaju i čelici s visokim sadržajem mangana (0,7 - 1,0%). Takvi čelici imaju slovo na kraju razreda G.
Koristi se za kritične proizvode visoka kvalitetačelik sa nižim sadržajem sumpora (do 0,025%) i fosfora (do 0,025%). Prilikom označavanja visokokvalitetnih čelika, slovo A se dodaje na kraj razreda.
Visokokvalitetni ugljični čelici se dijele na čelike s niskim, srednjim i visokim ugljikom ovisno o sadržaju ugljika. U niskougljenične čelike visoke duktilnosti i male čvrstoće spadaju čelici 08, 08kp, 10, 10kp, 15, 15G..., 25G, koji se koriste za izradu lako opterećenih delova (bregasta vratila, osovine, čahure). Toplinska obrada (otvrdnjavanje i kaljenje, karburizacija) značajno povećava čvrstoću i žilavost proizvoda izrađenih od ovih materijala, što vam omogućava stvaranje lakših struktura i uštedu metala. Srednjougljični čelici (sa sadržajem ugljika od 0,3...0,55%), ovisno o potrebnim mehaničkim svojstvima, koriste se nakon normalizacije, kaljenja uz visokotemperaturno kaljenje, visokofrekventnog kaljenja i niskotemperaturnog kaljenja. Od ovih čelika izrađuju se osovine, zupčanici, klipnjače, vretena itd.
Visokougljični čelici sadrže ugljik od 0,6 do 0,85% i odlikuju se visokom čvrstoćom i elastičnim svojstvima te povećanom otpornošću na habanje. Nakon kaljenja i kaljenja ili kaljenja visokofrekventnim zagrijavanjem, dijelovi od ovih čelika mogu raditi pod uvjetima trenja u prisustvu velikih statičkih i vibracijskih opterećenja. Ovi čelici se koriste za izradu žice od užadi, kao i opružne žice nakon patentiranja.
Ugljenični čelici, koji sadrže 0,7...1,3% C, koriste se za izradu udarnih i reznih alata. Oni su označeni U7...U13, Gdje U označava ugljični čelik, a broj je sadržaj ugljika u desetinkama procenta.
Pozitivne kvalitete ugljičnih čelika uključuju njihov prilično visok skup mehaničkih svojstava, što se osigurava toplinskom obradom. Ugljenični čelici imaju dobra tehnološka svojstva. Nisu retke i jeftine.
Glavni nedostatak ugljičnih čelika je njihova niska kaljivost (do 15 mm).
Liveno gvožde
1.4.3.1 Opće informacije
Liveno gvožđe su legure gvožđa sa ugljenikom, čija količina prelazi 2,14%. Značajan dio proizvedenog livenog gvožđa se pretopi u čelik, ali se najmanje 20% proizvedenog livenog gvožđa koristi za izradu livenih delova.
Lijevano željezo odlikuju se visokim svojstvima livenja i jedan su od glavnih modernih materijala za livenje. Oko 75% svih odlivaka je napravljeno od livenog gvožđa. Niža tačka topljenja u poređenju sa čelikom i završetak kristalizacije na konstantnoj temperaturi (formiranje eutektika) obezbeđuju veće karakteristike livenja: fluidnost i punjenje kalupom, skupljanje i manju sklonost stvaranju pukotina zbog skupljanja.
Zbog svoje niske duktilnosti, liveno gvožđe ne podleže obradi pod pritiskom.
U zavisnosti od hemijskog sastava i uslova kristalizacije, ugljenik u livenom gvožđu može biti u hemijski vezanom stanju u obliku cementita ili u slobodnom stanju u obliku grafita. U skladu s tim razlikuju bijela liveno gvožđe (ugljenik je u obliku cementita) i siva(ugljik je u obliku inkluzija grafita).
U bijelom livenom gvožđu fazne transformacije se dešavaju u skladu sa dijagramom Fe-Fe 3 C. Ovisno o sadržaju ugljika dijele se na hipoeutektičke (2,14...4,3% C), eutektičke (4,3% C) i hipereutektičke (4,3...6,67% C).
U hipoeutektičkim livenim gvožđem, strukturne komponente na sobnoj temperaturi su perlit, ledeburit i cementit; u eutektici – ledeburit; u hipereutektici - ledeburit i cementit.
Bijeli liveni gvožđe imaju visoku tvrdoću (450...550HB i više), zbog prisustva velike količine cementita u njima. Uz visoku tvrdoću, bijeli ljevak karakterizira visoka krhkost, što onemogućuje njegovu upotrebu za proizvodnju dijelova strojeva. Koriste se odljevci od bijelog lijeva od kojih se grafitizirajućim žarenjem proizvode dijelovi od kovanog lijeva. Koriste se i odlivci sa površinskim slojem (12...30 mm) od belog liva i jezgrom od sivog liva. Prisutnost "izbijeljenog" površinskog sloja osigurava visoku otpornost na habanje takvog odljevka.
Sivi liveni gvožđe, u kojima se ugljenik nalazi u obliku inkluzija grafita, su od industrijskog značaja, pa stoga postaju važni uslovi za njihovo formiranje, odnosno proces grafitizacije.
Grafit sadrži 100% ugljika, dok je koncentracija ugljika u cementitu samo 6,67%. Kristalne strukture austenita i grafita su značajno različite, dok su kristalne strukture austenita i cementita slične strukture. Stoga bi formiranje cementita iz tekuće faze i iz austenita trebalo teći lakše nego grafita, budući da rad formiranja jezgra i za to potrebni difuzijski procesi nisu toliko značajni.
Međutim, mješavina ferit + grafit ili austenit + grafit ima manje slobodne energije od mješavine ferit + cementit ili austenit + cementit Stoga termodinamički faktori doprinose stvaranju grafita, a ne cementita.
Zbog navedenih okolnosti, kod brzog hlađenja i ometanja procesa difuzije dolazi do stvaranja cementita, a kod sporog hlađenja odlučujući faktor je želja da se slobodna energija minimizira, što dovodi do stvaranja grafita.
Sivi lijevani se razlikuju po obliku inkluzija grafita. Grafit, koji nastaje u livenom gvožđu tokom procesa kristalizacije i naknadnog hlađenja, ima lamelarni oblik, a liveno gvožđe sa takvim grafitom naziva se siva.
Formiranje grafita uslijed raspadanja cementita događa se ne samo tijekom kristalizacije i hlađenja, već i kada se bijeli ljevak zagrije na visoke temperature. Ovaj fenomen se koristi u proizvodnji takozvanog kovanog livenog gvožđa. U tom slučaju centri grafitizacije rastu manje-više ravnomjerno u svim smjerovima i formiraju se flokulantne inkluzije grafita. Lijevano željezo s takvim grafitom se zove savitljiv liveno gvožde.
Liveno gvožđe sa sferičnim grafitom, koje se dobija modifikacijom magnezijumom i cerijumom, naziva se visoka čvrstoća liveno gvožde.
Lijevano željezo, kao i čelici, su višekomponentne legure koje sadrže Fe, C, Si, Mn, P i S.
Ugljik ima odlučujući uticaj na kvalitet livenog gvožđa, menjajući svojstva livenja i broj inkluzija grafita. Što je veća njegova koncentracija, to je više taloženja grafita i niža su mehanička svojstva livenog gvožđa, stoga sadržaj ugljika u industrijskom livenom gvožđu ne prelazi 3,8%. Donja granica sadržaja ugljika je 2,4% i ograničena je potrebom da se osigura dovoljna sposobnost livenja.
Silicijum ima snažno grafitizirajuće dejstvo, potiče oslobađanje grafita tokom procesa skrućivanja i razgradnju već formiranog cementita. Sadržaj silicijuma u livenom gvožđu kreće se od 0,3 do 5%.
Mangan komplikuje procese grafitizacije i neznatno poboljšava mehanička svojstva livenog gvožđa. Količina mangana u livenom gvožđu može varirati unutar 0,5...1%.
Sposobnost izbjeljivanja sumpora je 5 do 6 puta veća od mangana. Osim toga, sumpor smanjuje fluidnost, povećava skupljanje i povećava sklonost pucanju. Dakle, sumpor je štetna nečistoća i njegov sadržaj u livenom gvožđu ne prelazi 0,15%.
Fosfor praktično nema uticaja na grafitizaciju. Njegova maksimalna rastvorljivost u feritu je 0,3%. Pri većem sadržaju fosfor formira trostruki fosfidni eutektik sa gvožđem i ugljenikom sa tačkom topljenja od 950 o C, što povećava fluidnost livenog gvožđa. Međutim, ovaj eutektik ima visoku tvrdoću i krtost, pa je povećan sadržaj fosfora u odljevcima do 0,7% dopušten samo ako je potrebno osigurati visoku otpornost na habanje. Za umjetničko livenje koriste se liveno gvožđe sa sadržajem fosfora do 1%.
Od legirajućih elemenata, stepen grafitizacije povećavaju nikl i bakar, a hrom otežava proces stvaranja grafita.
Grafitne inkluzije utječu na mehanička svojstva odljevaka, jer se mogu smatrati šupljinama odgovarajućeg oblika, u blizini kojih su koncentrirani naponi. Veličina ovih naprezanja je veća što je defekt oštriji, pa metal u najvećoj mjeri omekšava u prisustvu pločastih inkluzija grafita, oblik grafita nalik na pahuljice je manje opasan, a najprihvatljiviji je sferni. oblik grafita. Grafitne inkluzije imaju najveći utjecaj na otpornost materijala na lom pri teškim metodama opterećenja (udarnim i vlačnim) i gotovo da nemaju utjecaja pod tlačnim opterećenjima. Lijevano željezo sa lamelarnim grafitom ima najmanju duktilnost (δ = 0,2...0,5%), srednju (δ = 5...10%) - sa grafitom u pahuljici i najveću - sa sfernim grafitom (δ £ 15%).
Na osnovu strukture metalne podloge, sivi, kovni i ljevovi visoke čvrstoće dijele se na feritne, feritno-perlitne i perlitne.
Metalna podloga od lijevanog željeza pruža najveću čvrstoću i otpornost na habanje ako ima perlitnu strukturu. Prisutnost ferita u strukturi, bez povećanja duktilnosti i žilavosti lijevanog željeza, smanjuje njegovu čvrstoću i otpornost na habanje. Sivi feritni liveni gvožđe ima najmanju čvrstoću.
Kao konstrukcijski materijal, liveno gvožđe ima sledeća pozitivna svojstva. Prisustvo grafita poboljšava performanse rezanja jer se strugotine lome na inkluzijama grafita. U poređenju sa čelikom, liveno željezo ima bolja svojstva protiv trenja, zbog činjenice da su grafitne inkluzije same mazivo. Lijevano željezo savršeno prigušuje vibracije i ima povećanu cikličku viskoznost zbog mikropraznina koje su ispunjene grafitom. Dijelovi od lijevanog željeza nisu toliko osjetljivi na vanjske koncentratore naprezanja (žljebovi, rupe, itd.) u odnosu na čelične dijelove. Lijevano željezo je jeftinije od čelika zbog jednostavnije proizvodne tehnologije.
Ugljični čelik, čiji su razredi opisani u nastavku, široko se koristi u različitim industrijama. Odabir specifične klase ugljičnog čelika vrši se na osnovu specifične namjene za koju će se koristiti. To je zbog činjenice da svaka marka ima različite karakteristike.
Klasifikacija čelika
Svi ugljični čelici, ovisno o području primjene, dijele se na niskougljične, srednje ugljične i visokougljične čelike, a dijele se prema nekoliko parametara:
- Metoda deoksidacije.
- Sastav hemijskih elemenata.
- Mikrostruktura.
- Kvaliteta.
Prema osnovnim standardima, ugljični čelici se dijele na:
- Konvencionalna konstrukcija.
- Kvalitet konstrukcije.
- Instrumentalni kvalitet.
- Visokokvalitetni instrumental.
Tehnologija proizvodnje
Proizvodnja čelika u metalurškoj industriji obavlja se na različite načine. Svaki način proizvodnje je drugačiji, ovisno o opremi koja se koristi. Dakle, sva oprema za proizvodnju ugljičnih čelika može se podijeliti u tri vrste:
- Konvertorske peći za topljenje.
- Otvorene peći.
- Električne pećnice.
Converter
Konvertorske peći tope čitav sastav legure. Ovom metodom rastopljena masa se tretira tehničkim kiseonikom. Za čišćenje vruće mase od raznih nečistoća dodaje se vapno. To omogućava pretvaranje nečistoća u šljaku. Tokom procesa proizvodnje aktivno se odvija proces oksidacije metala. To izaziva oslobađanje velike količine otpada.
Proizvodnja ugljeničnih čelika u pećima konverterskog tipa ima značajan nedostatak. To uključuje činjenicu da se tokom rada oslobađa velika količina prašine. To dovodi do potrebe za ugradnjom dodatnih jedinica za filtriranje, što podrazumijeva trošak novca. Unatoč tome, metoda pretvarača ima visoku produktivnost i široko se koristi u metalurgiji.
Otvoreno ognjište
Proizvodnja različitih vrsta ugljičnog čelika korištenjem otvorenih peći omogućava dobivanje visokokvalitetnog finalnog proizvoda. Proces proizvodnje se odvija na sljedeći način:
- Komponente legure se utovaruju u specijalizovani odeljak peći: liveno gvožđe, čelični otpad, itd.;
- Cijeli sastav se zagrijava na visoku temperaturu;
- Pod uticajem temperature, sve komponente se pretvaraju u homogenu vruću masu;
- Tokom topljenja, sve komponente željeza i legure ugljika međusobno djeluju;
- Materijal koji nastaje hemijskom reakcijom napušta peć.
Električni
Metoda za proizvodnju različitih vrsta ugljičnog čelika u električnim pećima razlikuje se od gore navedenih. Njegova razlika leži u načinu zagrijavanja kompozicije. Upotreba električne energije za zagrijavanje komponenti smanjuje oksidaciju metala. Time se značajno smanjuje količina vodika u metalu, što poboljšava strukturu legure i utiče na kvalitetu finalnog proizvoda.
Upotreba čelika
Ugljični čelik različitih razreda koristi se za izradu konstrukcija u mnogim industrijama. Ovisno o primjeni proizvoda, koriste se određene marke.
Regularni kvalitet
Količina stranih nečistoća u gotovim proizvodima regulirana je GOST 380-2005. Ugljični čelik redovnog kvaliteta koristi se za proizvodnju:
- St0– obloge, okovi, itd.;
- St1– kanali, T-grede i I-grede. Ima malu tvrdoću, ali dobar viskozitet;
- St2– dijelovi nekritičnih konstrukcija. To je vrlo plastičan materijal;
- St3– valjani metal koji se koristi za izradu građevinskih konstrukcija, karoserija, automobilskih felgi itd.;
- St5– vijci, matice, poluge, klinovi, osovine itd.;
- St6– dijelovi visoke čvrstoće za mašine za obradu drveta i metala.
Visoka kvaliteta
Sljedeće se proizvode od visokokvalitetnog čelika:
- Cijevi i dijelovi koji se primjenjuju u kotlovnici.
- Proizvodi visoke duktilnosti - vijci, matice itd.
- Dijelovi dizajnirani za stvaranje zavarenih konstrukcija.
- Razne vrste cijevi, klinova, osovina.
- Zupčanici, kvačila kamiona, autobusa i druge opreme.
- Opružne podloške, prstenovi.
Instrumental
Ugljični alatni čelici različitih razreda imaju povećanu čvrstoću i visoku udarnu žilavost. Koriste se za izradu svih vrsta alata i zamjenskih elemenata. Tokom proizvodnje proizvodi su podvrgnuti višekratnom izlaganju visokim temperaturama, čime se poboljšavaju njihova fizička svojstva. Proizvodi su otporni na brze promjene temperature i vrlo su otporni na koroziju.
Označavanje čelika
Prema oznaci, svi ugljični čelici su podijeljeni u tri kategorije:
- Grupa A. Ovo uključuje legure koje zadovoljavaju strogo određena mehanička svojstva;
- Grupa B.Čelici ove grupe jasno odgovaraju po hemijskom sastavu;
- Grupa B. Proizvodi ove grupe moraju istovremeno ispunjavati mehanička, fizička i hemijska svojstva.
Za čelik običnog kvaliteta, na početku oznake se pojavljuju slova St. Nakon slova St u oznaci nalazi se digitalna oznaka. Broj u oznaci označava broj razreda metala. Zatim se nakon broja upisuje vrsta legure. Oznaka vrste legure je sljedeća:
- KP- ključanje;
- PS– polumirno;
- JV- miran.
Neposredno ispred slovne oznake legure nalazi se slovo koje označava grupu čelika. Ako proizvod pripada grupi A, onda se slovo ne stavlja.
Za brzo prepoznavanje robne marke, proizvođač nanosi odgovarajuće trake specijaliziranom bojom:
- St0– zelena traka + crvena.
- St1– jedna žuta + jedna crna.
- St3Gsp– smeđa + plava.
- St3– crvena.
- St4– crna.
- St5Gps– smeđa + zelena.
- St5– zelena.
- St6– plava.
Stepen prisustva ugljika u materijalu određuje se na samom početku. Količina ugljika za metal grupe A je naznačena u stotim dijelovima procenta. Za B i C – u desetinama. U nekim slučajevima, iza ovih brojeva proizvođač stavlja slovo G. To znači da proizvod sadrži veliku količinu mangana.
Kvalitetne kategorije čelika
Visokokvalitetni čelici različitih oznaka mogu se podijeliti u nekoliko kategorija:
- 08ps, 08kp– imaju visoku plastičnost. Pogodno za hladno valjanje;
- Od 10 do 25 časova– koristi se za vruće štancanje ili valjanje;
- Od 60 do 85– koristi se za izradu kritičnih konstrukcija kao što su opruge, opruge, kvačila;
- 30, 50, 30G, 50G– povećana čvrstoća, izdržavanje teških opterećenja.
Izuzeci od notacije
Kvalitetni čelici imaju neke izuzetke u oznakama. To uključuje:
- 15K, 20K, 22K– koristi se u izgradnji kotlova;
- 20-PV– sadrži 0,2 posto ugljika i bakra sa hromom. Od njega se izrađuju cijevi za sisteme grijanja;
- OSV– sadrži aditive nikla, hroma i bakra. Od njega se prave osovine vagona;
- A75, ASU10E, AU10E– primjenjivo na dijelove satova.
Iz gore navedenog slijedi da prije upotrebe proizvoda od ugljičnog čelika morate obratiti pažnju na njegove oznake. Na taj način možete odrediti njegova fizička i kemijska svojstva i područje namjene. Poznavajući značenje označavanja metalnih proizvoda, neće biti poteškoća u odabiru određene vrste za bilo koju svrhu.
Ugljični čelik karakterizira sadržaj ugljika do 2,14% bez prisustva legirajućih elemenata, mala količina nečistoća u sastavu i mali sadržaj magnezija, silicija i mangana. Ovo zauzvrat utiče na svojstva i karakteristike aplikacije. To je glavni proizvod metalurške industrije.
Compound
Ovisno o količini ugljika, dijele se ugljični i legirani čelik. Prisustvo ugljika daje materijalu snagu i tvrdoću, a također smanjuje viskoznost i duktilnost. Njegov sadržaj u leguri je do 2,14%, a minimalna količina nečistoća zbog procesa proizvodnje omogućava da se glavnina sastoji od željeza do 99,5%.
Visoka čvrstoća i tvrdoća su ono što karakterizira ugljični čelik.
Nečistoće koje su stalno uključene u strukturu ugljičnog čelika imaju mali sadržaj. Mangan i silicijum ne prelaze 1%, a sumpor i fosfor unutar 0,1%. Povećanje količine nečistoća karakteristično je za drugu vrstu čelika, koja se naziva legiranim.
Nedostatak tehničke sposobnosti potpunog uklanjanja nečistoća iz gotove legure omogućava uključivanje sljedećih elemenata u ugljični čelik:
- vodonik;
- nitrogen;
- kiseonik;
- silicij;
- mangan;
- fosfor;
- sumpor
Prisustvo ovih supstanci određuje se metodom topljenja čelika: konverterom, ložištem ili drugim. A ugljenik se dodaje namjerno. Ako je količinu nečistoća teško regulirati, tada podešavanje razine ugljika u sastavu buduće legure utječe na svojstva gotovog proizvoda. Kada je materijal ispunjen ugljenikom do 2,4%, čelik se klasifikuje kao ugljenik.
Karakteristično
Karakteristike i struktura metala se mijenjaju termičkom obradom, kojom se postiže potrebna površinska tvrdoća ili drugi zahtjevi za korištenje čelične konstrukcije. Međutim, ne mogu se sva strukturna svojstva prilagoditi termičkim metodama. Takve strukturno neosjetljive karakteristike uključuju krutost, izraženu modulom elastičnosti ili modulom smicanja. Ovo se uzima u obzir prilikom projektovanja kritičnih komponenti i mehanizama u različitim oblastima mašinstva.
U slučajevima kada proračun čvrstoće sklopa zahtijeva korištenje dijelova malih dimenzija koji mogu izdržati potrebno opterećenje, koristi se toplinska obrada. Ovaj učinak na "sirov" čelik omogućava povećanje krutosti materijala za 2-3 puta. Metal koji je podvrgnut ovom procesu podliježe zahtjevima u pogledu količine ugljika i drugih nečistoća. Ovaj čelik se naziva visokokvalitetnim.
Klasifikacija ugljeničnih čelika
Prema smjeru primjene proizvoda, ugljični čelik se dijeli na alatni i konstrukcijski.
Posljednji od njih se koristi za izgradnju raznih zgrada i dijelova okvira. Alati se koriste za izradu izdržljivih alata za obavljanje bilo kojeg posla, uključujući i rezanje metala. Upotreba metalnih proizvoda u domaćinstvu zahtijevala je razvrstavanje čelika u različite kategorije sa specifičnim svojstvima: otporan na toplinu, kriogenost i otpornost na koroziju.
Prema načinu proizvodnje ugljični čelici se dijele na:
- električni čelik;
- otvoreno ognjište;
- pretvarač kiseonika.
Razlike u strukturi legure nastaju zbog prisustva različitih nečistoća karakterističnih za određenu metodu topljenja.
Odnos čelika i hemijski aktivnog okruženja omogućio je podjelu proizvoda na:
- vrenje;
- polu-mirno;
- miran.
- hipereutektoid, u kojem količina ugljika prelazi 0,8%;
- eutektoid, sa sadržajem od 0,8%;
- hipoeutektoidno - manje od 0,8%.
To je struktura koja je karakteristična za određivanje stanja metala. Kod hipoeutektoidnih čelika struktura se sastoji od perlita i ferita. Eutektoidne imaju čisti perlit, dok hipereutektoidne karakterizira perlit sa primjesama sekundarnog cementita.
Povećanjem količine ugljika, čelik povećava čvrstoću i smanjuje duktilnost. Viskoznost i krtost materijala takođe imaju veliki uticaj. Kako se postotak ugljika povećava, otpornost na udar se smanjuje i krhkost materijala se povećava. Nije slučajno da kada je sadržaj veći od 2,4%, legure metala se već klasifikuju kao liveno gvožđe.
Prema količini ugljika u leguri, čelik je:
- nizak sadržaj ugljenika (do 0,29%);
- srednji ugljenik (od 0,3 do 0,6%);
- visok sadržaj ugljenika (više od 0,6%).
Označavanje
Prilikom označavanja ugljičnih čelika uobičajenog kvaliteta koriste se slova St, koja su popraćena brojevima koji karakteriziraju sadržaj ugljika. Jedna znamenka pokazuje količinu pomnoženu sa 10, a dvije znamenke sa 100. Kada se garantuje mehanički sastav legure, B se dodaje pre oznake, a usklađenost sa hemijskim sastojcima je B.
Na kraju oznake, dva slova označavaju stepen deoksidacije: ps - polu-mirno, kp - stanje ključanja legura. Za mirne metale ovaj indikator nije naznačen. Povećana količina mangana u strukturi proizvoda označena je slovom G.
Prilikom označavanja visokokvalitetnih ugljičnih čelika koji se koriste u proizvodnji alata koristi se slovo U, pored kojeg se ispisuje broj koji potvrđuje postotak ugljika u deseterostrukoj količini, bez obzira da li je dvocifreni ili jednocifreni. cifra. Kako bi se istakle kvalitetnije legure, oznaci alatnih čelika dodaje se slovo A.
Primjeri označavanja ugljičnih čelika: U8, U12A, St4kp, VSt3, St2G, BSt5ps.
Proizvodnja
Metalurška industrija proizvodi legure metala. Specifičnost procesa proizvodnje ugljičnog čelika je prerada lijevanog željeza uz redukciju suspendiranih tvari kao što su sumpor i fosfor, kao i ugljik, na potrebnu koncentraciju. Razlike u tehnici oksidacije kojom se uklanja ugljik omogućavaju nam da razlikujemo različite vrste topljenja.
Metoda pretvarača kiseonika
Osnova tehnike bila je Bessemerova metoda, koja uključuje upuhivanje zraka kroz tečno liveno gvožđe. Tokom ovog procesa ugljik se oksidira i uklanja iz legure, nakon čega se ingoti željeza postepeno pretvaraju u čelik. Produktivnost ove tehnike je visoka, ali sumpor i fosfor su ostali u metalu. Osim toga, ugljični čelik je zasićen plinovima, uključujući dušik. Ovo poboljšava čvrstoću, ali smanjuje duktilnost, čineći čelik sklonijim starenju i visokim sadržajem nemetalnih elemenata.
S obzirom na nisku kvalitetu čelika proizvedenog Bessemerovom metodom, više se nije koristio. Zamijenjena je metodom kisik-konvertera, čija je razlika korištenje čistog kisika umjesto zraka prilikom pročišćavanja tekućeg lijevanog željeza. Primenom određenih tehničkih uslova prilikom pročišćavanja značajno je smanjena količina azota i drugih štetnih nečistoća. Kao rezultat toga, ugljični čelik proizveden metodom pretvarača kisika je po kvaliteti blizak legurama topljenim u pećima otvorenog ložišta.
Tehnički i ekonomski pokazatelji metode pretvarača potvrđuju izvodljivost takvog topljenja i omogućavaju zamjenu zastarjelih metoda proizvodnje čelika.
Metoda otvorenog ognjišta
Značajka metode za proizvodnju ugljičnog čelika je sagorijevanje ugljika iz legura lijevanog željeza ne samo uz pomoć zraka, već i dodavanjem željeznih ruda i zarđalih metalnih proizvoda. Ovaj proces se obično odvija unutar peći, u koje se dovode zagrijani zrak i zapaljivi plin.
Veličina takvih kupki za topljenje je vrlo velika, mogu primiti do 500 tona rastopljenog metala. Temperatura u takvim posudama se održava na 1700 ºC, a sagorijevanje ugljika se odvija u nekoliko faza. Prvo, zbog viška kisika u zapaljivim plinovima, i kada se šljaka formira iznad rastaljenog metala, kroz okside željeza. Prilikom njihove interakcije nastaju troske fosfata i silikata, koji se naknadno uklanjaju i čelik dobiva tražena svojstva kvalitete.
Topljenje čelika u otvorenim pećima traje oko 7 sati. Ovo vam omogućava da prilagodite željeni sastav legure prilikom dodavanja različitih ruda ili otpada. Ugljični čelik se dugo proizvodi ovom metodom. Takve peći, u naše vrijeme, mogu se naći u zemljama bivšeg Sovjetskog Saveza, kao iu Indiji.
Elektrotermalna metoda
Moguća je proizvodnja visokokvalitetnog čelika sa minimalnim sadržajem štetnih nečistoća topljenjem u vakuumskim pećima elektrolučnih ili indukcijskih peći. Zahvaljujući poboljšanim svojstvima električnog čelika, moguće je proizvoditi toplotno otporne i alatne legure. Proces pretvaranja sirovina u ugljični čelik odvija se u vakuumu, zbog čega će kvaliteta rezultirajućih obradaka biti veća od prethodno razmatranih metoda.
Cijena takve obrade metala je skuplja, pa se ova metoda koristi kada postoji tehnološka potreba za visokokvalitetnim proizvodom. Da bi se smanjili troškovi tehnološkog procesa, koristi se posebna kutlača koja se zagrijava unutar vakuumske posude.
Aplikacija
Ugljični čelik je, zbog svojih svojstava, našao široku primjenu u raznim sektorima nacionalne privrede, posebno u mašinstvu. Upotreba sposobnosti metala da izdrži opterećenja i ima visoke granice zamora u proračunima dizajna omogućava proizvodnju od ugljičnog čelika kritičnih dijelova strojeva kao što su: zamašnjaci, zupčanici, kućišta klipnjača, radilice, klipovi klipnih pumpi i tehnološka oprema za obradu drveta i laka industrija.
Visokougljični čelici s povećanom količinom mangana koriste se za izradu dijelova kao što su opruge, lisnate opruge, torzijske šipke i slične komponente koje zahtijevaju elastičnost legure. Alatne legure poboljšane kvalitete imaju široku primjenu u proizvodnji alata za obradu metala: glodala, bušilica, upuštača.