Углеродистая сталь

 

Общие сведения

Большая часть стальных фасонных деталей изготавливается из обычной углеродистой стали, в состав которой входят углерод, марганец, кремний, фосфор и сера.

Главным элементом, характеризующим качество литой стали, является углерод. Другие элементы во многих марках углеродистой стали остаются неизменными.

Условно в литейном производстве  углеродистую сталь разделяют на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую.

Низкоуглеродистая сталь содержит в своем составе: 0,09-0,2%С;0,5-0,6%Mn; 0,15-0,25% Si;  ДО 0,08 %Р и не более 0,03%S.

Механические свойства стали после отжига следующие:

Gb=35-45кг/мм2; Gs=18-22 кг/мм2; δs = 25-35%; ψ = 40-50%.

Из низкоуглеродистой стали изготовляют детали для электротехнической и машиностроительной промышленности. Отливки из низкоуглеродистой стали подвергаются  специальной термической обработке – цементации, после которой они закаливаются и имеют более высокие механические свойства и хорошо работают на истирание.

Механические свойства углеродистой стали после закалки:

Gb=42-50 кг/мм2; Gs=25-33 кг/мм2; δs = 20-25%; ψ = 30-40%.

Пластические свойства отливок после закалки несколько снижаются.

Основные литейные свойства низкоуглеродистой стали, которые  необходимо учитывать при изготовлении отливок, следующие:

1) высокая температура плавления;

2) пониженная жидкотекучесть;

3) повышенная склонность к окислению;

4) повышенная склонность к образованию горячих трещин.

Из перечисленного видно,  что изготовление фасонных деталей из низкоуглеродистой стали связано со значительными трудностями, поэтому в литейном производстве применяют  для большинства  стальных отливок среднеуглеродистую сталь.

Состав среднеуглеродистой стали колеблется в  значительных пределах: 0,2-0,45% С; 0,6-0,9% Mn; 0,2-0,45% Si; 0,03-0,05% Р(для неответственных деталей допускается содержание 0,1-0,15% Р); 0,03-0,05 % S (для отдельных отливок допускается содержание до 0,1% S).

Механические свойства  среднеуглеродистой стали:

Gb=40-55 кг/мм2; Gs=22-32 кг/мм2; δs = 23-12%; ψ = 35-20%;ак 5-3 кгм/см2.

Литейные свойства среднеуглеродистой стали несколько лучше, чем низкоуглеродистой стали: ниже температура плавления; лучше жидкотекучесть; меньше образуется газов и неметаллических включений в отливке; меньше опасность образования горячих трещин;  меньше пригар в отливках. Однако пониженная теплопроводность среднеуглеродистой стали приводит к образованию повышенных напряжений.

Высокоуглеродистая сталь применяется для литых деталей, которые подвергаются сложной термической обработке – закалке и отпуску – или используются в работе без механической  обработки.

Состав высокоуглеродистой стали колеблется в значительных  пределах: 0,45-0,5% и выше С; 0,5-0,8% Mn; 0,04-0,05%Р; 0,04-0,05%S.

Содержание S и Р в отдельных случаях  допускается до 0,1%; содержание кремния и алюминия в сумме должно быть не более 0,3-0,5%.

Высокоуглеродистую сталь с содержанием 0,5-0,6%С можно применять после отжига без закалки, а сталь с содержанием более 1%С можно использовать в сыром виде  для отливок, работающих на истирание.

Высокоуглеродистая сталь имеет низкую температуру плавления; относительно хорошую жидкотекучесть; небольшой пригар формовочной смеси; малую склонность к образованию горячих трещин.

Меньшая теплопроводность высокоуглеродистой стали увеличивает опасность образования напряжений.

Нельзя удалять прибыли и литники от отливок из высокоуглеродистой стали при помощи ацетиленокислородной резки, так как в отливке могут  образоваться трещины. При термической обработке во избежание образования трещин нагрев отливок надо производить с большой осторожностью.

Отливки из высокоуглеродистой стали вследствие повышенной твердости плохо поддаются механической  обработке.

Классификация углеродистой стали, применяемой для фасонного литья

Классификация обычной углеродистой стали производится по ГОСТ 977 -88.

Марка литейной углеродистой стали, химический состав  и механические свойства приведены в табл. 1.

таблица марок литейных углеродистых сталей, хим.состав и мех. свойства

 Отклонения по содержанию углерода, кремния и марганца, если содержание этих элементов не оговорено в технических условиях на отливки, не являются  браковочным признаком.

 

Допустимое содержание фосфора и серы в зависимости от группы стали и от способа выплавки приведено в табл 2.

допустимое содержание серы и фосфора в зависимости от группы сталии способа выплавки

   Содержание хрома, никеля и меди не должно превышать 0,5%. Приведенные данные (табл.1) показывают,  что углеродистая сталь имеет невысокие механические свойства и особенно низкий  предел текучести.   Отношение предела текучести к пределу  прочности  составляет примерно

Gs/Gb · 100= 15-60%.

Предел текучести углеродистой стали можно повысить путем  термической обработки – закалка с отпуском. Но слабая прокаливаемость конструкционной стали ограничивает эти  возможности только мелкими тонкостенными отливками. Чтобы стальные литые детали удовлетворяли высоким требованиям, они должны  быть изготовлены из легированной стали,  которая имеет более  высокий предел текучести,  предел прочности и лучшую  прокаливаемость.

Влияние различных элементов на механические свойства и структуру углеродистой стали

Содержащиеся в углеродистой стали основные элементы: С, Mn, Si, P и S –оказывают существенное влияние на механические и  литейные свойства.

При повышении содержания углерода предел прочности увеличивается, но пластические свойства снижаются.   Термическая обработка повышает предел прочности и предел текучести, но понижает  удлинение и сужение. Ударная вязкость стали с повышением  содержания углерода снижается как в литом состоянии, так и после  термической обработки.

Твердость стали возрастает при увеличении содержания углерода в литом и в термически обработанном состоянии,  вследствие чего бывает трудно производить механическую обработку литых деталей.

Рассматривая изменение механических свойств стали, необходимо отметит, что предел прочности растет быстрее, чем предел текучести. При определенном  содержании углерода отношение  Gs/Gb начинает снижаться. Это указывает на то, что для деталей, требующих более высокого предела текучести, применять углеродистую сталь не следует.

Повышенное содержание углерода в стали влияет не только на механические, но и на литейные свойства.

Жидкотекучесть стали повышается с увеличением содержания  углерода (рис 1).

диаграмма жидкотекучести стали в зависимости от содержания углерода и температуры перегрева

 Повышенная жидкотекучесть оказывает влияние и на  другие литейные свойства стали: уменьшается количество газовых раковин и неметаллических включений в отливках; становится меньшей склонность к образованию горячих трещин, так как доперлитная усадка стали с повышением содержания углерода уменьшается.

Теплопроводность стали с повышением содержания углерода уменьшается, вследствие чего возникает опасность образования  термических напряжений и трещин при низких температурах . Поэтому для отливок, подверженных резкому охлаждению, необходимо применять стали с меньшим  содержанием углерода.

Повышенное содержание углерода в массивных  отливках дает  зональную ликвацию, а в тонкостенных отливках приводит к внутрикристаллической ликвации. Отливки,  подвергающиеся закалке, следует изготовлять из углеродистой стали с повышенным  содержанием углерода, так как углерод повышает прокаливаемость стали.

 

Влияние марганца на свойства углеродистой стали проявляется в улучшении механических свойств. Но в обычной углеродистой литой стали содержание марганца не превышает 0,9-1%,  при таком количестве он незначительно повышает механические свойства.

Так например, повышение марганца на 0,1% в пределах от 0,6 до 0,9% повышает предел прочности всего на 1,2 кг/мм2.

Роль марганца в углеродистой стали состоит в том, что он раскисляет сталь и нейтрализует вредное  действие серы, что приводит к устранению трещин в отливках.

Нейтрализация серы марганцем идет по реакции

FeS+Mn       MnS+Fe;

При этом отношение марганца к сере должно быть равно Mn/S=1,71 или Mn= 1,71 S.

Марганец образует и более сложные  комплексные соединения, например: (MnS) m (FeS)n, в которых преобладает сернистый марганец; для полной нейтрализации серы надо иметь марганца в  четыре-пять раз  больше. Таким образом, для нейтрализации 0,05%S  надо иметь 0,2-03 Mn. Для раскисления углеродистой стали нужно иметь до 0,5 % Mn.  Поэтому общее количество марганца в стали с содержанием 0,05 % S должно быть около  0,7 %.

При недостаточном количестве марганца повышается склонность стали к образованию трещин.

Марганец повышает твердость отливок, предел прочности, предел текучести и снижает сужение, удлинение и ударную вязкость. Марганец повышает жидкотекучесть и уменьшает  красноломкость.

Сера в углеродистой стали является вредной примесью,  она увеличивает красноломкость, т.е.  понижает механические свойства отливок при высоких температурах, что приводит  к образованию трещин. Красноломкость обусловлена тем, что соединения серы образуют при 985ᴼ легкоплавкую эвтектику FeS-Fe (рис 2) и FeS+FeO при 940ᴼ.

диаграмма системы Fe+FeS

   Марганец с серой образует более тугоплавкое соединение- сернистый марганец (MnS) , которое плавится при 1600ᴼ, MnS, соединяясь с FeS, может давать  различные по тугоплавкости соединения и растворы (рис 3).

диаграмма системы FeS+MnS

Часть сернистых соединений марганца  всплывает в шлак, а часть остается в виде  отдельных сфероидальных включений, тогда как соединения серы с железом располагаются по границам кристаллов и понижает механическую прочность стали.

Механические свойства стали с повышенным содержанием серы  снижаются: за исключением незначительного повышения предела  текучести. Увеличенное содержание серы в металле приводит к уменьшению жидкотекучести, увеличению количества газовых и  неметаллических включений. Ликвация стали с увеличением   содержания серы возрастает, и особенно в толстостенных отливках. Возрастает также опасность образования горячих трещин.

Нейтрализация вредного действия серы может осуществляться, кроме марганца, и другими элементами, которые с ней могут  образовывать более тугоплавкие сульфиды в виде Al2S3; ZrS2; CaS; MgS. Эти соединения не располагаются по граням кристаллов и дают  возможность получать хорошего качества отливки.

На практике качество серы в различных отливках из углеродистой стали колеблется примерно в следующих  пределах: для  ответственных конструкционных деталей 0,04-0,05%; для неответственных деталей до 0,06-0,1%; для толстостенных деталей не более 0,03%.

В толстостенном литье сера сильно ликвирует. Так например, прокатный валок при общем содержании серы, равном 0,03%, в центре 0,1%S.

Фосфор в углеродистой стали считается вредной примесью, потому что снижает пластические свойства. Это приводит к образованию трещин при низких температурах. Предел прочности и предел  текучести углеродистой стали, содержащей фосфор, несколько возрастает.

Однако это свойство фосфора может быть использовано только для низкоуглеродистой стали с 0,1%С.  Вредное влияние фосфора более резко проявляется в стали  повышенным содержанием углерода. Объясняется это тем, что чем выше содержание углерода, тем выше получается концентрация фосфора  в оставшемся не связанным с углеродом  железе.

Соединение фосфора с железом и углеродом могут значительно ликвировать, скапливаться по границам зерен и ослаблять сечение отливки. Это особенно сильно  сказывается при температурах ниже 0ᴼ. Поэтому содержание фосфора ограничивается как в углеродистой стали(табл 1),

температура плавления и и удельный вес наиболее распространенных неметаллических включений

 так и в легированной сталях (таб 2).

Кремний в углеродистой стали всегда присутствует как примесь, остающаяся после раскисления ферросилицием. Поэтому общее количество его в стали определяется совместно с алюминием.

Механические свойства стали изменяются незначительно при том содержании кремния, которое допускается в углеродистой стали (рис 4).

влияние кремния на механические свойства стали

   Кремний обладает большой способностью раскислять сталь и связывать газы. Он также повышает способность стали прокаливаться.

Подсчет  необходимого количества кремния и алюминия ведется по эмпирической формуле:

Si+4Al=0.35-0.65%. Обычно содержание алюминия составляет 0,02-0,1%, в зависимости от  характера раскисления. Содержание кремния определяется по разности.

Кроме перечисленных элементов, в углеродистой стали могут содержаться газы: кислород, азот и водород.

Кислород в стали является скрытой  примесью, так как  он находится в связанном виде. Кислород относится к  вредным примесям: с повышением количества кислорода механические свойства стали ухудшаются (рис 5).

влияние кислорода на механеические свойства стали

   Кислород проникает в сталь, когда она  находится длительное время при высоких температурах.  В мартеновской стали может быть растворено  до 0,05-0,004%О2, в электростали – до 0,015-0,020% О2.

Кислород повышает склонность стали к образованию горячих  трещин. Объясняется это тем, что кислород, растворяясь в стали,  понижает растворимость сернистого железа, усиливая тем самым влияние серы. Сернистое железо в этом случае выделяется из раствора  с образованием вокруг кристаллита легкоплавкой оболочки, которая приводит к образованию трещин. Для устранения трещин в отливках сталь должна раскисляться и рафинироваться.

Азот в сталь попадает из воздуха, растворяется в значительных  количествах до 0,03-0,04% и находится в металле в виде газа или в виде химических соединений с различными элементами (Si,Al,Cr,Mn,Ti и др.). Влияние азота на качество стали еще не достаточно  изучено. Установлено, что азот повышает предел прочности,  предел текучести и твердость и снижает пластические свойства (рис  6).

влияние азота на механические свойства стали

   Свойства азота повышать  твердость стали используется в практике  для азотирования отливок. Кроме того, азот используется для продувки стали при модифицировании. При  этом  образуются тугоплавкие нитриды, которые служат центрами кристаллизации.

Водород относится к вредным примесям, он понижает  пластические свойства стали. При понижении температуры стали водород выделяется из раствора и образует газовые раковины. Содержание водорода в стали незначительное – 0,0005-0,0025%.

Микроструктура стали в  зависимости от содержания углерода и  температуры показана на диаграмме (рис  7).

диаграмма состояния Fe+C

Структура стали состоит из  феррита 2 и перлита 3, при этом чем больше содержится углерода, тем больше будет перлита и тем выше твердость.

В углеродистой стали с содержанием  углерода более 0,85%  микроструктура стали состоит из перлита и вторичного цементита. Твердость такой стали сильно возрастает и механическая обработка  становится затруднительной.

 

Источник: Литейные сплавы П.П. Жевтунов.