Stal: definicja, klasyfikacja, skład chemiczny i zastosowanie

Jak często słyszymy słowo "stal". I nie mówią tego tylko specjaliści z dziedziny metalurgii, ale także laicy. Żaden solidny budulec nie może obejść się bez stali. Zasadniczo, gdy mówimy o czymś metalowym, mamy na myśli produkt wykonany ze stali. Z czego jest zrobiony i jak jest klasyfikowany.

Definicja

Stal jest prawdopodobnie najbardziej popularnym stopem, opartym na żelazie i węglu. Udział tego drugiego waha się od 0,1% do 2,14%, ale pierwszy nie może być niższy niż 45%. Łatwość produkcji i dostępność surowców mają decydujący wpływ na rozpowszechnienie tego metalu we wszystkich dziedzinach działalności człowieka.

Podstawowe charakterystyka materiału różni się w zależności od jego składu chemicznego. Definicja stali jako stopu składającego się z dwóch składników, żelaza i węgla, nie może być nazwana pełną. Może zawierać chrom, na przykład, aby nadać mu odporność na ciepło, oraz nikiel, aby zapewnić odporność na korozję.

Obowiązkowe składniki materiału przyczyniają się do dodatkowych korzyści. Na przykład, żelazo sprawia, że stop jest plastyczny i łatwo odkształca się w pewnych warunkach, podczas gdy węgiel dodaje siłę i twardość wraz z kruchością. Dlatego też jej udział jest tak niski w całkowitej masie stali. Z określenia sposobu produkcji stopu wynika, że zawartość manganu wynosi 1%, a zawartość krzemu 0,4%. Istnieje szereg dodatków stopowych powstających podczas procesu topienia, które należy wyeliminować. Wraz z fosforem i siarką, tlen i azot również sprawiają, że materiał jest mniej wytrzymały i plastyczny.

Klasyfikacja

Definiując stal jako metal o określonej zestaw cech, jest oczywiście bezsporne. Jednak to właśnie jego skład pozwala na klasyfikację materiału na kilka sposobów. Na przykład rozróżnia się metale w następujący sposób:

• przez chemikalia;
• przez konstrukcję;
• przez jakość;
• według funkcji;
• Jedna z nich opiera się na stopniu odtlenienia;
• przez twardość;
• przez spawalność stali.

Definicja stali, jej gatunek oraz wszystkie jej cechy zostaną opisane poniżej.

Oznaczenie

Niestety, nie ma ogólnoświatowego oznaczenia stali, co znacznie utrudnia handel między krajami. System alfanumeryczny jest zdefiniowany w Rosji. Litery oznaczają nazwę pierwiastków i sposób odtleniania.

Skład chemiczny

Istnieją dwa sposoby podziału stali ze względu na ich skład chemiczny. W nowoczesnych podręcznikach rozróżnia się stal węglową i stal stopową.

Pierwsza z nich oznacza stal jako niskowęglową, średniowęglową i wysokowęglową, natomiast druga oznacza stal jako niskostopową, średniostopową i wysokostopową. Low-carbon jest zdefiniowany jako metal, który według GOST 3080-2005 może zawierać, oprócz żelaza, następujące składniki:

• Węgiel do 0,2%. Przyczynia się do hartowania termicznego, które zwiększa wytrzymałość czasową i twardość dwukrotnie.
• Do 0,8% manganu aktywnie wiąże się z tlenem i zapobiega tworzeniu się tlenku żelaza. Metal lepiej wytrzymuje obciążenia dynamiczne i jest bardziej podatny na hartowanie termiczne.
• Krzem - do 0,35 %. Poprawia właściwości mechaniczne, takie jak ciągliwość, wytrzymałość, spawalność.

Według GOST, definicja stali jako stali niskowęglowej daje metal, który zawiera, oprócz użytecznych, szereg szkodliwych zanieczyszczeń w następujących ilościach. To:

• Fosfor do 0,08% odpowiada za występowanie kruchości na zimno, zmniejsza wytrzymałość i siłę. Zmniejsza udarność metalu.
• Siarka - do 0,06%. Komplikuje to formowanie metalu, zwiększa kruchość temperamentu.
• Azot. Zmniejsza właściwości technologiczne i wytrzymałościowe stopu.
• Tlen. Zmniejsza wytrzymałość i utrudnia operowanie narzędziem podczas cięcia.

Należy zauważyć, że stale nisko- lub niskowęglowe są szczególnie miękkie i ciągliwe. Dobrze odkształcają się pod wpływem ciepła lub zimna.

Definicja stali miękkiej jest, podobnie jak jej skład, oczywiście różna od materiału opisanego powyżej. И największy Różnica polega na ilości węgla, która waha się między 0,2 % a 0,45 %. Stal taka wykazuje niską plastyczność i ciągliwość wraz z doskonałymi właściwościami wytrzymałościowymi. Stal średniowęglowa jest powszechnie określana do normalnego użytkowania w zastosowaniach o wysokim stopniu obciążenia.

W przypadku gdy zawartość węgla jest większa niż 0,5%, stal jest znana jako wysokowęglowa. Ma zwiększoną twardość, zmniejszoną ciągliwość, ciągliwość, i jest stosowany w gorących i zimnych narzędzi formowania i części.

Poza identyfikacją węgla obecnego w stali, możliwe jest scharakteryzowanie materiału poprzez obecność dodatkowych zanieczyszczeń. Kiedy chrom, nikiel, miedź, wanad, tytan i azot w stanie chemicznie związanym są dodawane do metalu oprócz zwykłych elementów, nazywa się to stopem. Takie dodatki zmniejszają ryzyko kruchego pękania, zwiększają odporność na korozję i wytrzymałość. Ich ilość wskazuje na stopień stopowości stali:

• Niskostopowa - posiada do 2,5 % dodatków stopowych;
• Średnio stopowe - od 2,5% do 10%;
• Wysoko stopowe - do 50 %.

Co to znaczy? Na przykład, dowolne właściwości stali mogą być ulepszone w następujący sposób

1. Dodatek chromu. Ma pozytywny wpływ na właściwości mechaniczne już w ilości 2% całkowitej objętości.
2. Dodatek od 1% do 5% niklu zwiększa margines wytrzymałości temperaturowej. I zmniejsza zimną kruchość.
3. Mangan działa w taki sam sposób jak nikiel, choć jest znacznie tańszy. Jednak zwiększa to również wrażliwość metalu na przegrzanie.
4. Wolfram jest dodatkiem tworzącym węgliki, który nadaje wysoką twardość. Ponieważ po podgrzaniu hamuje wzrost ziarna.
5. Molibden jest drogim dodatkiem. Zwiększa odporność cieplną stali szybkotnących.
6. Krzem. Zwiększa kwasoodporność, wytrzymałość, odporność na zgorzelinę.
7. Tytan. Może przyczynić się do drobnej struktury ziarna w połączeniu z chromem i manganem.
8. Miedź. Zwiększa właściwości hamujące korozję.
9. Aluminium. Zwiększa odporność termiczną, skalowanie, udarność.

Struktura

Określenie składu stali nie byłoby pełne bez zbadania jej struktury. Nie jest ona jednak jednolita i może zależeć od wielu czynników - obróbki cieplnej, szybkości chłodzenia, stopnia stopienia. Struktura stali powinna być określona po wyżarzeniu lub normalizacji. Po wyżarzaniu metal jest rozdzielany na:

• Struktura przedeutektyczna - z nadmiarem ferrytu;
• eutektyka, która składa się z perlitu;
• eutektoidalny - z wtórnymi węglikami;
• Ledeburyt - z węglikami pierwotnymi;
• Austenityczny - o siatce krystalicznej skupionej na powierzchni;
• Ferryt - o siatce centrowanej w kształcie sześcianu.

Gatunki stali można określić po normalizacji. Jest to rozumiane jako rodzaj obróbki cieplnej, która obejmuje ogrzewanie, okres utrzymywania i późniejsze chłodzenie. Rozróżnia się gatunki perlityczne, austenityczne i ferrytyczne.

Jakość

Pod względem jakości można zdefiniować cztery rodzaje obróbki cieplnej. Są to:

1. Stale zwykłej jakości to stale o zawartości węgla do 0,6%, które wytapia się w piecach martenowskich lub konwertorach tlenowych. Są one uważane za najtańsze stale i ustępują pod względem właściwości innym grupom. Przykładami takich stali są St0, St3sp, St5kp.
2. Wysokiej jakości. Uderzającymi przedstawicielami tych stali są tego typu St08kp, St10ps, St20. Są one wytapiane w tych samych piecach, ale przy wyższych wymaganiach dotyczących wsadu i procesów produkcyjnych.
3. Stale wysokogatunkowe topione są w piecach elektrycznych, które gwarantują zwiększoną czystość materiału pod względem wtrąceń niemetalicznych, czyli lepsze właściwości mechaniczne. Do materiałów tych należą St20A, St15Cr2MA.
4. Stale super wysokiej jakości są produkowane przy użyciu specjalnych metod metalurgicznych. Są one poddawane procesowi elektrożużlowego przetapiania, który usuwa siarczki i tlenki. Do tych stali należą St18CrNiNrSH i St20CrNiNrSH.

Stale konstrukcyjne

Jest to chyba najłatwiejszy i najprostszy do odczytania przez ogół społeczeństwa znak. Rozróżnia się stale konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne. Stale konstrukcyjne są powszechnie podzielone na

1. Stale konstrukcyjne to zwykłe stale węglowe i stale niskostopowe. Stawia się im kilka wymagań, z których najważniejszym jest odpowiednio wysoka spawalność. Przykładami są StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Produkty cementowalne są stosowane w przypadku produktów, które są narażone na zużycie powierzchniowe i w równoległych obciążeniach dynamicznych. Należą do nich stale niskowęglowe St15, St20, St25 oraz niektóre stale stopowe: St15Х, St20Х, St15ХФ, St20ХН, St12ХНЗА, St18Х2Н4ВА, St18Х2Н4МА, St18ХГТ, St20ХГР, St30ХГТ.
3. Do formowania na zimno używają stali jakościowej o niskiej zawartości węgla. Takie jak St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Stale, które można wzmocnić poprzez hartowanie i wysokie odpuszczanie. Są to stale średniowęglowe (St35, St40, St45, St50), chromowe (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR), a także chromowo-krzemowo-manganowe, chromowo-niklowe i chromowo-niklowe.
5. stale sprężynowe mają właściwości elastyczne i zachowują je przez długi czas, ponieważ są bardzo odporne na zmęczenie i złamanie. Stale węglowe St65, St70 i stale stopowe (St60C2, St50CGS, St60C2CFA, St55CGR).
6. Stale o wysokiej wytrzymałości to takie, które mają dwukrotnie większą wytrzymałość niż inne stale konstrukcyjne, uzyskaną dzięki obróbce cieplnej i składowi chemicznemu. Głównie średniowęglowe stale stopowe takie jak St30CrNi2A, St40CrNi2MA, St30CrNi3MA, St38CrNi9M5T, St04CrNi9M2D2Tu.
7. Stale do łożysk kulkowych charakteryzują się szczególną solidnością, wysoką odpornością na ścieranie i wytrzymałością. Podlegają one rygorystycznym wymogom, aby były wolne od wszelkiego rodzaju inkluzji. Należą do nich stale wysokowęglowe z zawartością chromu (StShKh9, StShKh15).
8. Stale automatyczne są zdefiniowane w następujący sposób. Są to próbki do wykorzystania w produkcji przedmiotów niekrytycznych, takich jak np jak śruby, nakrętki, śruby. Części te są zazwyczaj obrabiane przez skrawanie. Głównym zadaniem jest więc zwiększenie skrawalności przedmiotu, co osiąga się poprzez wprowadzenie do materiału telluru, selenu, siarki i ołowiu. Dodatki te sprzyjają tworzeniu się kruchych i krótkich wiórów podczas obróbki i zmniejszają tarcie. Głównych przedstawicieli stali automatowych oznaczono jako StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Stale odporne na korozję to stale stopowe stali o zawartości chromu około 12%, ponieważ tworzy on na powierzchni warstwę tlenku, która zapobiega korozji. Przedstawiciele tych stopów to St12Cr13, St20Cr17Ni2, St20Cr13, St30Cr13, St95Cr18, St15Cr28, St12Cr18NiT,
10. Gatunki odporne na zużycie są stosowane w produktach narażonych na tarcie ścierne, uderzenia i wysokie ciśnienie. Przykładem mogą być części do torów kolejowych, maszyn kruszących i gąsienicowych np. St110G13L.
11. Stale żaroodporne mogą pracować w wysokich temperaturach. Znajdują zastosowanie w produkcji rur, części turbin gazowych i parowych. Są to głównie wysokostopowe gatunki niskowęglowe, które koniecznie zawierają nikiel, ale mogą zawierać dodatki takie jak molibden, szlachta, tytan, wolfram i bor. Przykłady to St15CrM, St25Cr2M1F, St20Cr2MVF, St40Cr2M, St12Cr18Ni9T, StXN62MVKU.
12. Stale żaroodporne są szczególnie odporne na działanie chemiczne w powietrzu, gazie i piecu, w środowisku utleniającym i nawęglającym, ale wykazują wytrzymałość na pełzanie przy dużych obciążeniach. Przedstawicielami tego typu są St15X5, St15X6CM, St40X9C2, St20X20H14C2.

Stale narzędziowe

W tej grupie stopy dzielą się na stale matrycowe, na narzędzia skrawające i pomiarowe. Istnieją dwa rodzaje stali na stemple.

• Materiał do obróbki plastycznej na zimno musi mieć wysoki stopień twardości, wytrzymałości, odporności na ścieranie, odporności termicznej. Ale o wystarczającej wytrzymałości (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Materiał do pracy na gorąco charakteryzuje się dobrą wytrzymałością i ciągliwością. Oprócz odporności na zużycie i odporność na skalę (St5CrNm, St5CrNv, St4CrZvmF, St4Cr5V2FS).

Stale na narzędzia pomiarowe, oprócz odporności na ścieranie i twardości, powinny być stabilne wymiarowo i łatwe do szlifowania. Stopy te są używane do sprawdzianów, wsporników, szablonów, linijki, skali i płytek. Przykładami są StU8, St12X1, StXVG, StX12F1.

Identyfikacja grup stali na narzędzia skrawające jest stosunkowo łatwa. Stopy te muszą zachować swoją zdolność do cięcia i wysoką twardość przez długi czas, nawet jeśli są narażone na działanie ciepła. Są to m.in Stale węglowe i stopowe stali narzędziowych, jak również stali szybkotnących. Oto niektóre z bardziej reprezentatywnych gatunków: StU7, StU13A, St9HS, StHVG, StR6M5, StRUK5F5.

Odtlenianie stopu

W zależności od stopnia odtlenienia rozróżnia się stale łagodne, półciche i wysokowrzące. Sam termin odnosi się do usuwania tlenu z ciekłego stopu.

Stale spokojne nie wydzielają prawie żadnych gazów podczas krzepnięcia. Jest to spowodowane całkowitym usunięciem tlenu i utworzeniem na wierzchu wlewka skorupy skurczowej, która jest następnie odcinana.

W stalach półstałych gazy uwalniają się częściowo, tzn. w większym stopniu niż w stalach niestałych, ale mniej niż w stalach wrzących. Brak zagłębienia jak wyżej, ale bąbelki u góry.

Wrzące stopy wydzielają duże ilości gazu podczas krzepnięcia i dość łatwo jest dostrzec różnice w składzie chemicznym pomiędzy górną i dolną warstwą w przekroju poprzecznym.

Twardość

Termin ten odnosi się do zdolności materiału do opierania się twardszym, penetrującym. Do określenia twardości stosuje się trzy metody: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Zgodnie z metodą Brinella, hartowana kulka stalowa jest wciskana w powierzchnię szlifowaną próbki. Badając średnicę wgniecenia można określić twardość.

Metoda twardości stali według Rockwella. Polega ona na obliczeniu głębokości penetracji końcówki w postaci stożka rombowego o kącie 120 stopni.

Diamentowa piramida czworościanu jest wciskana w próbkę przez Vickersa. Z kątem 136 stopni na przeciwległych twarzach.

Czy można określić gatunek stali bez analiza chemiczna? Specjaliści w dziedzinie metalurgii są w stanie zidentyfikować gatunek stali na podstawie jej iskry. Możliwe jest określenie składników metalu poprzez jego obróbkę. Na przykład:

• CVG ma ciemno karmazynowe iskry z żółto-czerwonymi plamkami i pęczkami. Na końcach rozgałęzionych pasm pojawiają się jaskrawoczerwone gwiazdy z żółtymi pękami w środku.
• P18 również pokazuje ciemnokarmazynowe iskry z żółtymi i czerwonymi pęczkami na początku, ale nici są proste i nie rozgałęziają się. Na końcach wiązek pojawiają się iskry z jednym lub dwoma jasnożółtymi kryształami.
• Stale w gatunkach KG, X, SX15, SX9 mają żółte iskry z jasnymi gwiazdkami. I czerwone ziarna na rozgałęzionych brzegach.
• Stal U12F charakteryzuje się jasnożółtymi iskrami z gęstymi, grubymi gwiazdkami. Z kilkoma czerwono-żółtymi pękami.
• Stale 15 i 20 mają jasnożółte iskry, wiele rozgałęzień i gwiazd. Ale kilka pęczków.

Określenie stali za pomocą iskry jest dość dokładną metodą dla ekspertów. Ale ogół społeczeństwa nie może scharakteryzować metalu tylko patrząc na kolor iskry.

spawalność

Zdolność metali do tworzenia spoiny pod wpływem pewnych czynników nazywana jest spawalnością stali. Można to określić po ustaleniu zawartości żelaza i węgla.

Stale niskowęglowe są znane z tego, że dobrze łączą się przez spawanie. Gdy zawartość węgla przekracza 0,45%, spada spawalność, a najbardziej pogarsza się przy wysokiej zawartości węgla. Jest to również spowodowane zwiększoną niejednorodnością materiału oraz wtrąceniami siarczkowymi na granicach ziaren, które prowadzą do pękania i zwiększonych naprężeń wewnętrznych.

Substancje stopowe reagują w ten sam sposób i pogarszają stan spoiny. Chrom, molibden, mangan, krzem, wanad i fosfor są uważane za pierwiastki najbardziej niekorzystne dla spawania.

Jednakże, przestrzeganie technologii w pracy W przypadku stali niskostopowych, dobra spawalność procentowa bez specjalnych środków. Określenie spawalności jest możliwe po ocenie kilku ważnych cech materiału, m.in

• Stopień schłodzenia.
• Skład chemiczny.
• Rodzaj krystalizacji pierwotnej i zmiany strukturalne podczas spawania.
• Zdolność metalu do tworzenia pęknięć.
• Skłonność materiału do tworzenia utwardzalnych formacji.