- Что такое доэвтектоидная сталь?
- Структура стали
- Технология производства доэвтектоидных сталей
- Маркировка стали
- Сфера использования доэвтектоидных сталей
Одним из самых распространенных классов металлов на сегодняшний день являются углеродистые стали, которые нашли широкое применение в промышленной и строительной отраслях. Их также называют техническим железом, позволяющим добиться высоких эксплуатационных качеств готовых изделий и получить различный эффект благодаря той или иной структуре материала, выборе технологии обработки.
Стандартная характеристика такого металла – прочность и устойчивость к нагрузкам. Однако есть в группе вещество с особенными свойствами. Это так называемая доэвтектоидная сталь – более гибкая, пластичная, с хорошей стойкостью и меньшей предрасположенностью к образованию коррозии. С данным сплавом, его характеристиками, особенностями и технологией производства мы и предлагаем разобраться более детально.
Что такое доэвтектоидная сталь?
Понятие доэвтектоидной стали представляет собой сугубо технологический момент. Дело в том, что технологи для классификации железоуглеродистых сплавов пользуются специальной диаграммой. В ней есть точка S – эвтектоидная, и в зависимости от того, с какой стороны от нее расположено соединение, осуществляется его классификация. Различают классическую эвтектоидную сталь, до- и заэвтектоидную с различным процентом углерода в составе и наличием примесей.
Рассматриваемый нами доэвтектоидный сплав находится левее заданной точки, как бы до нее (отсюда название) и обладает следующими характеристиками:
- концентрация углерода до 0,8%;
- основные структурные составляющие сталей – феррит и перлит, которые могут иметь разное процентное соотношение между собой и тем самым варьировать насыщенность углерода.
По этим двум признакам мы можем отнести сталь к рассматриваемой группе, и именно они являются определяющими при классификации.
Структура стали
Как мы уже сказали, структурно у доэвтектоидного железоуглеродистого сплава выделяют два основных компонента:
- феррит – светлые полигональные зерна, слабо поддающиеся травлению;
- перлит – смесь феррита с цементитом, более темные зерна или пластины.
В нормализованных или отожженных сталях данные частички хорошо различимы под микроскопом, что сводит к минимуму необходимость химического анализа сплава. Есть здесь, к слову, еще один интересный нюанс. Обе разновидности частиц имеют одинаковый удельный вес, то есть по количеству в общей массе можно определить занимаемую площадь. Плюс – углерод содержится именно в перлите, посему при изучении металла под микроскопом получится сделать примерный вывод о проценте углерода. Чем больше темных включений в доэвтектоидной стали по сравнению со светлыми, тем выше концентрация углерода. Но помним, она не может превышать 0,8%, иначе такой сплав будет считаться уже обычным эвтектоидным.
Для легированной стали, нужно заметить, такой способ определения состава не применим. Потребуется уже полноценный химический анализ.
Структура и фракционные параметры частиц доэвтектоидных сплавов определяется температурным режимом нагрева и охлаждения материла. Технология производства предполагает химический распад аустенита (высокотемпературная модификация железа с тем же ферритом и перлитом в составе) на фоне понижения температуры. Дисперсность соединения зависит от уровня переохлаждения металла. Грамотное варьирование уровня нагревания и последующего охлаждения позволяет в итоге получить сталь с теми или иными заданными характеристиками.
Технология производства доэвтектоидных сталей
Технологично процесс изготовления доэвтектоидной стали мало чем отличается от работы с другими черными сплавами. Имеет место процедура отжига и нормализации, однако с некоторыми особенностями.
Сначала отжиг. Как было сказано, данная сталь состоит из перлитных и ферритных участков, но при определенной температуре нагрева начинается его фазовая перекристаллизация. Из перлита формируется мелкозернистый аустенит (концентрация углерода при этом остается на том же уровне), затем в нем растворяется излишняя часть феррита и т. д. Если температура слишком высокая и воздействует очень долго, получается чистый аустенит и в конце концов теряет качество. Вместо уменьшения зерен для нужной текстуры мы получаем их разбухание и брак плавки. Так, температура для закаливания стали подбирается индивидуально и не должна существенно превышать нормальный температурный показатель. Главный нюанс работы с доэвтектоидным сплавом – обеспечение распада аустенита вместе с охлаждением металла.
В металлообработке используются две разновидности отжига:
- полный, предусматривающий интенсивное нагревание до температуры 700–800 градусов с последующей нормализацией охлаждением. Такой уровень температуры активизирует процесс распада частичек феррита, а скорость охлаждения эффективно регулируется персоналом посредством открытия/закрытия дверцы или программой современной изотермической печи;
- неполный отжиг, при котором сталь нагревается до более высоких температур, но обжигается уменьшенный промежуток времени. Таким способом не получается устранить феррит полностью, но сохраняется мягкость структуры материала. Здесь решающую функцию выполняет быстрое падение температуры, скорость которого должная быть больше критической. При содержании углерода свыше 0,3% остужать можно преимущественно водой с включением различных добавок при необходимости.
За обжигом доэвтектоидных углеродистых сталей следует их нормализация, предполагающая дополнительный нагрев и остужение. Нагреваться металл на этом этапе может до 1000 градусов и выше, а непосредственно его нормализация начинается уже при охлаждении на спокойном воздухе – после завершения термической обработки. В результате структура становится еще более мелкозернистой. Если, конечно, тщательно соблюдать технологию производства. Посредством этой манипуляции получается также повысить дисперсность металла.
Далее допускается проведение еще одной процедуры – нагрев стали с продолжительной выдержкой и последующим медленным остужением в печи или при комнатной температуре на воздухе. Практика показывает, что наиболее качественные изделия получаются после прохождения полного цикла нормализации.
Маркировка стали
Структурно-химический состав определяет характеристики доэвтектоидных сталей и закладывается в их маркировке. Углеродистые сплавы нормального качества и конструкционного назначения имеют обозначаются сокращением «Ст». Далее идет число, которое соответствует марочному номеру и показывает твердость, прочность материала. Чем больше это число, тем более прочная и твердая, но менее пластичная получается сталь. Особо качественные типы металла промаркировывают двузначными числами, которые обозначают долю углерода в составе сотыми частями процента.
После числа могут стоять дополнительные символы: «кп, сп и пс». Они расшифровываются следующим образом:
- кп – кипящая, полностью нераскисленная сталь;
- сп – спокойная, полученная посредсвом полного раскисления;
- пс – промежуточная, полуспокойная.
Встречается также обозначение «У», которое применяется в отношении инструментальных сталей такого типа, и включает числовой коэффициент в десятых долях процента. При высоком качестве после цифр добавляется буква «А», обозначающая уменьшенное содержание вредных примесей.
Примеры маркировок – Ст2кп, Ст6пс, У7, У8А и другие, согласно ГОСТам. Данные параметры строго регламентированы государственными стандартами.
Сфера использования доэвтектоидных сталей
На практике доэвтектоидная сталь получила достаточно широкое распространение, даже несмотря на пониженную прочность относительно других разновидностей. Самые распространенные области применения – строительство и машиностроение.
В машиностроении часто используются детали, выполненные из доэвтектоидного сплава высоких марок после полного обжига и нормализации. Если структура отличается низким содержанием ферритов, он больше подходит для строительства. Из таких сталей изготавливаются различные конструкции и элементы, для которых не слишком важна механическая прочность, больше упругость и износоустойчивость. Данное решение в том числе позволяет добиться существенной экономии.
Наиболее гибкие виды металла, как правило, идут на производство крепежных метизов и кровельных материалов. Так, пододрав подходящую марку доэвтектоидной стали под заданные цели, можно получить необходимый, высококачественный и финансово выгодный результат.