Максимальное содержание углерода в стали

Сталь

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и другими элементами, содержание углерода в котором не превышает 2,14%.  

Углерод обеспечивает сплавам железа прочность и твёрдость, снижая при этом пластичность и вязкость. Как и чугун, сталь содержит примеси кремния, марганца, серы и фосфора. Основным отличием стали от чугуна является уменьшенное содержание углерода и примесей. 

Сталь получают в процессе переплавки металлолома или из передельного чугуна. Для получения стали, из чугуна удаляется излишний углерод и снижается количество входящих в него примесей. 

Классификация

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. 

В состав углеродистой стали входит углерод и некоторое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, Р), попадающих в нее при выплавке. Главным элементом, определяющим свойства углеродистой стали, является углерод. Он повышает твердость, упругость, прочность, уменьшает пластичность и сопротивление ударным нагрузкам. 

Кремний и марганец в небольшом количестве особого влияния на свойства стали не оказывают. Сера и фосфор считаются вредными примесями.

Сера вызывает красноломкость, хрупкость при высоких температурах, уменьшает коррозионную стойкость. Фосфор увеличивает хрупкость и хладноломкость стали, т. е. хрупкость при обычных температурах.

Углеродистая сталь, в свою очередь, подразделяется по назначению и качеству. По назначению она делится на конструкционную и инструментальную. 

Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,6% углерода (как исключение допускается содержание углерода до 0,85%). По качеству конструкционная углеродистая сталь делится на сталь обыкновенного качества и качественную. 

Инструментальная углеродистая сталь содержит углерода 0,7% и более. Она отличается твердостью и прочностью. В легированной стали наряду с обычными примесями имеются один или несколько специальных элементов, улучшающих ее свойства: хром, вольфрам, молебден и др., а также кремний и марганец в сравнительно большом количестве. 

Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали,— например, хром повышает твердость и коррозионную стойкость; вольфрам увеличивает твердость и красностойкость; молибден увеличивает красностойкость, прочность и сопротивление окислению при высоких температурах; марганец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износостойкость, стойкость против ударных нагрузок. 

По назначению легированная сталь делится на три группы: конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физическими и химическими свойствами. 

К сталям с особыми физическими свойствами относятся: магнитная и немагнитная стали, сталь, обладающая высоким электрическим сопротивлением, и сталь с особыми тепловыми свойствами. 

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами — коррозионностойкие, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные. 

Принципы маркировки сталей в России

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: 

Х —хром, 

Н —никель, 

В —вольфрам, 

М —молибден,  

Ф —ванадий, 

Т—титан, 

Ю —алюминий, 

Д —медь, 

Г —марганец, 

С —кремний, 

К —кобальт, 

Ц —цирконий, 

Р —бор, 

Ц —ниобий. 

Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки —то, что сталь высококачественная. 

Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1%, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. 

Применение

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей промышленности. 

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Процесс производства стали

Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей — фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. 

В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конверторный, мартеновский и электротермический. 

Мартеновский способ выплавки стали, достаточно энергозатратный и экологически вредный. Таким образом, сейчас  во всем мире, подавляющее большинство стальной продукции производится конвертерным способом. 

Кислородно-конверторный способ получения стали

По этому способу окисления избыток углерода и других примесей чугуна окисляют в присутствии кислородом воздуха, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах — конверторах. 

Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси (Футеровка — специальная отделка для обеспечения защиты поверхностей от возможных механических или физических повреждений). 

Емкость конвертора 50—60 т. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO2    (оксид кремния), имеющий кислотные свойства), либо доломитная масса (смесь CaO и MgO (жаростойкий цемент)). В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.

Бессемеровский способ

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2%).При этом способе  фосфор полностью переходит из чугуна в сталь. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя. 

Все процессы в конверторе идут быстро — в течение 10—20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. 

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2% углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п. 

Томасовский способ

Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2 % и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. 

Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п. 

Мартеновская печь

Мартеновский способ отличается от конверторного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счет кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома. 

Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. Температура печи поддерживается при 1600—1650 °C 

Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно — в течение 6-7 часов. В отличие от конвертора, в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы. 

Электротермический способ

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конверторным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и ухудшающего её свойства. 

Температура в электропечи — не ниже 2000 °C. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали.

ведущих мировых производителей стали 

Рост мирового производства стали по итогам 2012 г. составил 1,2 % по сравнению с 2011 г, лишь немногие компании нарастили объемы выплавки. 

По данным SBB, первое место в мировом рейтинге заняла транснациональная корпорация «ArcelorMittal», которая в 2012 г. произвела 88,2 млн т стали (снижение производства по сравнению с 2011 г. составило 4,0 %, впервые с 2009 г.). 

В двадцатку крупнейших компаний-производителей стали в 2012 г. вошла одна российская компания — Evraz — 20 место с производством 15,9 млн т (19 позиция в 2011 г.), две японские компании «Nippon Steel» и «JFE Steel». Слияние «Nippon Steel» с «Sumitomo Metal Industries» обеспечило объединенной компании третью позицию в 2012 г.; сама компания «Nippon Steel» в 2011 г. была седьмой. 

По итогам 2012 г. китайские компании в большинстве своем нарастили объемы производства стали, в двадцатку крупнейших металлургических компаний вошло 9 китайских компаний. 

Япония, Южная Корея и США заняли по две позиции каждая. В целом же доля 20 топ-компаний в мировом производстве фактически осталась без изменений — около 42 %. 

Сертификат соответствия на сталь

В соответствии с ГОСТ 19281-89 сертификация продукции из стали является обязательной. Производителям или продавцам, а также импортерам данной продукции, в первую очередь необходимо получить сертификат соответствия на оцинкованную и листовую сталь. 

Качество данной продукции прямо или косвенно может повлиять на безопасность людей или окружающей природной среды. Угловая, полосовая, а также оцинкованная сталь подлежат обязательной сертификации в соответствии с ГОСТ 8509-93. 

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь отличается содержанием углерода до 2,14% без наличия легирующих элементов, небольшим количеством примесей в составе, и небольшим содержанием магния, кремния и марганца. Это в свою очередь влияет на свойства и особенность применения. Она является основным видом продукции металлургической промышленности.

Состав

В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.

Высокая прочность и твёрдость — вот что характеризует углеродистую сталь.

Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.

Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:

• водороду;
• азоту;
• кислороду;
• кремнию;
• марганцу;
• фосфору;
• сере.

Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.

Характеристика

Характеристики и структуру металла меняют, используя термическую обработку, посредством которой, достигают нужной твердости поверхности или других требований для применения стальной конструкции.

Однако, не все структурные свойства поддаются корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным характеристикам относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига.

Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов в различных сферах машиностроения.

В случаях, когда расчет прочности узла требует применения деталей малых размеров, способных выдержать требуемую нагрузку, применяют термическую обработку.

Такое воздействие на «сырую» сталь позволяет увеличить жесткость материала в 2-3 раза. К металлу, который подвергают такому процессу, предъявляют требования по количеству углерода и других примесей.

Называют эту сталь – повышенного качества.

Классификация углеродистых сталей

По направленности применения продукции, углеродистую сталь разделяют на инструментальную и конструкционную.

Последнюю из них используют для возведения различных строений и остовов деталей. Из инструментальных, изготавливают прочный инструмент для выполнения любых работ, вплоть до обработки металлов резанием. Применение металлических изделий в хозяйстве, потребовало выделить сталь в разные категории, обладающие специфическими свойствами: жаропрочную, криогенную и коррозионно-стойкую.

По способу получения углеродистые стали делят на:

• электростали;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.

Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:

• кипящие;
• полуспокойные;
• спокойные.

углерода делит сталь на 3 категории:

1. заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
2. эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
3. доэвтектоидные – менее 0,8 %.

Именно структура, является характерным признаком, при определении состояния металла. У доэвтектоидных сталей, структура состоит из перлита и феррита. У эвтектоидных – чистый перлит, а заэвтектоидные, характеризуются перлитом с примесями вторичного цементита.

При увеличении количества углерода, сталь повышает прочность и уменьшает пластичность. Большое влияние оказывается также на вязкость и хрупкость материала. При повышении процентного содержания углерода, уменьшается ударная вязкость и повышается ломкость материала. Не случайно, при содержании, на уровне более 2,4 %, металлические сплавы относят уже к чугунам.

По количеству углерода, в составе сплава, сталь бывает:

1. низкоуглеродистая (до 0,29 %);
2. среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
3. высокоуглеродистая (более 0,6 %).

Маркировка

При обозначении углеродистых сталей обычного качества, используют буквы Ст, которые сопровождаются цифрами, характеризующими содержание углерода. Одна цифра показывает количество, увеличенное в 10, а две цифры – в 100 раз. При гарантии механического состава сплава, перед обозначением добавляют Б, а соблюдение химических составляющих веществ – В.

В окончании маркировки, две буквы показывают степень раскисления: пс – полуспокойного, кп – кипящего состояния сплавов. Для спокойных металлов этот показатель не указывают. Увеличенное количество марганца в структуре изделия, обозначают буквой Г.

При обозначении углеродистых сталей высокого качества, используемых при изготовлении инструментов, применяют букву У, рядом с которой прописывают число, подтверждающее количество процентов углерода в 10-кратном размере, независимо от того, будет оно двухзначным или однозначным. Для выделения сплавов повышенного качества, к обозначению инструментальных сталей добавляют букву А.

Примеры обозначения углеродистых сталей: У8, У12А, Ст4кп, ВСт3, Ст2Г, БСт5пс.

Производство

Изготовлением металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика процесса получения углеродистой стали, заключается в переработке чугунных заготовок с уменьшением таких взвесей, как сера и фосфор, а также углерод, до требуемой концентрации. Различия методики окисления, посредством которой удаляют углерод, позволяет выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Основой методики был бессемеровский метод, который предусматривает продувку жидкого чугуна воздухом. Во время этого процесса, углерод окислялся и удалялся из сплава, после чего, чугунные слитки постепенно превращаются в сталь.

Производительность данной методики высока, но сера и фосфор оставались в металле. Кроме того, углеродистая сталь насыщается газами, в том числе, азотом.

Это улучшает прочность, но снижает пластичность, сталь становится более склонной к старению и изобилию неметаллическими элементами.

Использование определенных технических условий, при продувке, значительно снизило количество азота и других вредных примесей.

В результате, углеродистая сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, по качеству приближена к сплавам, переплавляемым в мартеновских печах.

Технико-экономические показатели конверторного способа подтверждают целесообразность такой плавки и позволяют вытеснить устаревшие методы изготовления стали.

Мартеновский метод

Особенностью способа получения углеродистой стали, является выжигание углерода из чугунных сплавов не только с помощью воздуха, но и за счет добавления железных руд и ржавых изделий из металла. Этот процесс обычно происходит внутри печей, к которым подводят подогретый воздух и горючий газ.

Размер таких плавильных ванн очень велик, они могут вмещать до 500 тонн расплавленного металла. Температура в таких емкостях поддерживается на уровне 1700 ºC, а выжигание углерода происходит в несколько этапов.

Сначала, благодаря избытку кислорода в горючих газах, а когда образуется шлак над расплавленным металлом, посредством оксидов железа.

При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые, в дальнейшем удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства.

Плавка стали в мартеновских печах проходит около 7 часов. Это позволяет отрегулировать нужный состав сплава, при добавлении различных руд или лома. Углеродистая сталь давно изготавливается этим методом. Такие печи, в наше время, можно найти на территории стран бывшего Советского Союза, а также – в Индии.

Углеродистая сталь марки

Углеродистая сталь марки которой имеют большое разнообразие. Согласно ГОСТ 1435-99 металлургическая промышленность выпускает следующие марки инструментальной углеродистой стали:

• У7;
• У7А;
• У8;
• У8А;
• У9А;
• У10;
• У11;
• УНА;
• У12;
• У12А;
• У13;
• У13А.

Буква У обращает внимание что сталь углеродистая. Обозначение буквы А, в конце марки, означает группу высококачественной стали с более чистым наличием серы и фосфора. Цифры в обозначении показывают процентное содержание углерода в сплаве, численное выражение которого для удобства умножено на 10. Отсутствие буквы А означает качественную сталь.

Цифра указывает содержание углерода, среднее, Г- показывает на высокое наличие марганца. Углеродистая сталь марки имеют малую стоимость и большую твердость и этим отличается от других инструментальных сталей. Износостойкость этих марок и теплостойкость низкая.

Углеродистая сталь марки У7, У7А успешно используют для деревообрабатывающих инструментов — топоров, стамесок, долот, также инструментов по металлу — зубила, кузнечные штампы, слесарные инструменты, молотки, кувалды, отвертки, кусачки и др.

Марки У8, У8А, У8Г, У8ГА используют для изготовления таких инструментов, которые очень стойкие к разогреву при работе и выдерживают нагрузки вращения- фрезы по дереву, зенковки, пилы продольные, дисковые, накатные ролики и др.

Углеродистая сталь марки У10, У10А служит для изготовления игольной проволоки, также инструмента, который не вызывает нагрева режущей кромки. У13, У13А используют для инструментов, где необходима повышенная износостойкость, лезвия бритвы, хирургические инструменты, инструментов для гравировки металла, камня.

Свойства углеродистой стали

Свойства углеродистой стали значительно улучшаются, когда она подвергается термообработке. После данного процесса сплав приобретает высокую твердость, прочность, способность реагировать на большие нагрузки, выдерживать высокую температуру при работе режущей кромки.

Свойства углеродистой стали позволяют ей быть одним из самых востребованных видов стали. Характеристики и свойства материала регулируют при выплавке, соблюдая необходимые нормы процентного содержания элементов сплава.

Свойства углеродистой стали позволяют успешно сваривать ее, обрабатывать резанием, введенные в нее легирующие элементы изменяют свойства, повышаются механические способности, снижается хладноломкость.

Типы углеродистой стали

Типы углеродистой стали разделяют на:

• А- поставляемую по своим механическим свойствам, которые можно изменить;
• Б- по своим химическим свойствам, при этом механические свойства меняются, а уровень определяется химическим составом;
• В- поставляют по химическому содержанию и по своим механическим свойствам для деталей.

Типы углеродистой стали по виду обработки выделяют:

• горячекатаная;
• кованая;
• калиброванная;
• круглую со специальной отделкой поверхности.

По степени раскисления:

• полуспокойная;
• спокойная;
• кипящая.

Еще статьи из этого раздела: Классификация металлов, принципы их разделения и отличий

Как ни странно, но единой классификации металлов не существует и…

(1 голос, в среднем: 5 из 5) Среднеуглеродистая сталь, марки, свойства и особенности сплава

Среднеуглеродистая сталь — это сталь, которая не содержит легирующих элементов…

(1 голос, в среднем: 4 из 5) Легированная сталь

Легированная сталь — это сталь, включающая в себя разные легирующие…

(1 голос, в среднем: 4 из 5) Чугун с шаровидным графитом

Чугун с шаровидным графитом — это высокопрочный конструкционный материал, имеющий…

(1 голос, в среднем: 5 из 5) Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистая сталь  — это сталь, которая содержит повышенное количество углерода,…

(1 голос, в среднем: 5 из 5) Металлы и все о металлах

Металлы – это группа элементов, которые схожи рядом свойств и…

(1 голос, в среднем: 4 из 5) Чугун с вермикулярным графитом

Чугун с вермикулярным графитом — это металл, механические свойства которого…

(1 голос, в среднем: 4 из 5) Чугун литейный

Чугун литейный — это сплав железа, в состав которого входит…

(1 голос, в среднем: 5 из 5)

Анализ углерода, серы и фосфора

Сталь — наиболее распространенный сплав железа с углеродом, в который входит ряд неизбежных примесей (Мп, Si, S, Р, О, N, Н и др.). Все они оказывают влияние на свойства стали, поэтому химический анализ — обязательный элемент системы качества на предприятии.

• Анализ на углерод. Углерод — основной компонент стали, который представлен в ней в разных формах, и определяет его марку и основные свойства.
• Анализ на серу и фосфор. Сера и фосфор трудноудаляемые элементы, которые попадают при выплавке стали в основном из чугуна. Они считаются вредными примесями, так как ухудшают качество стали. Максимально допустимое содержание серы не более 0,06%, а фосфора — 0,05%. В ходе плавки металла стараются провести мероприятия по десульфурации и дефосфорации, чтобы снизить влияние этих элементов.

Влияние углерода, серы и фосфора на качество стали

Определение углерода, серы и фосфора в стали для металлургов, литейщиков и машиностроителей имеет первоочередную важность. Это позволяет получить качественную продукцию и исключить неисправимый брак. Государственные стандарты регламентируют содержание примесей в стали и методы определения их содержания.

Углерод в стали

Углерод — полиморфный неметаллический элемент, который способен растворяться в железе в жидком и твердом состоянии с образованием твердых растворов — феррита и аустенита. Кроме этого, он создает с железом химическое соединение — цементит (Fe3C), и может быть представлен в высокоуглеродистых сталях в виде графита.

В зависимости от содержания углерода стали классифицируются на:

• низкоуглеродистые (до 0,3% С);
• среднеуглеродистые (0,3-0,6% С);
• высокоуглеродистые (более 0,6% С).

углерода оказывает влияние на структуру стали, количество и соотношение фаз, поэтому определяет показатели твердости и пластичности металла.

При повышении содержания углерода происходит снижение ударной вязкости, и повышается порог хладноломкости.

Увеличение концентрации C приводит к изменению и электрических свойств: растет сопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

С ростом углерода происходит ухудшение литейных свойств, обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость. Обработка резанием низкоуглеродистых сталей также затрудняется.

Сера в стали

Сера — вредная примесь, основными источниками которой служат передельный чугун и руда, используемые при выплавке стали. Она способна растворяться в жидком железе, а в процессе кристаллизации образует FeS.

Сульфид железа образует с железом эвтектику с низкой температурой плавления, которая располагается по границам зерен. При технологическом нагреве до температуры обработки металла давлением она оплавляется, а при деформировании становится причиной надрывов и трещин.

Это явление называется красноломкостью, так как сталь при температуре 900-1000℃ становится ярко-красного цвета.

Повышение содержания серы нелинейно влияет на порог хладноломкости: сначала происходит его повышение, а при повышении содержания MnS он понижается. Негативное влияние сера оказывает на свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор в стали

Фосфор относится к вредным примесям стали, источником которой служат шихтовые материалы, в основном — чугун. Он способен в значительных количествах растворяться в феррите, что приводит к искажению кристаллической решетки.

Одновременно с этим происходит увеличение временного сопротивления и предела текучести, уменьшение пластичности и вязкости.

Увеличение содержания фосфора становится причиной повышения порога хладноломкости и уменьшения работы развития трещины.

Фосфор в значительной мере подвержен ликвации, что приводит к резкому снижению вязкости в центральной части слитка. В настоящее время технологии глубокой очистки стали от фосфора не существует.

Оптико-эмиссионный спектральный анализ C, S, P

Оптико-эмиссионные спектрометры — универсальные приборы, которые способны решать широкий круг аналитических задач. В основу их работы лежат принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа элементного состава вещества:

• спектр возбужденных атомов и ионов индивидуален для каждого элемента;
• интенсивность спектральной линии находится в зависимости от концентрации элемента в исследуемой пробе.

Эмиссионные спектральные приборы находят широкое применение в металлургии, что обусловлено следующими преимуществами метода:

• Возможность исследования проб в различном агрегатном состоянии.
• Анализ носит неразрушающий характер.
• Количество исследуемых элементов практически не ограничено. В их число входят углерод, сера и фосфор, которые представляют особый интерес для металлургов.
• Для проведения исследования в качестве пробы достаточно малого количества вещества.
• Высокая чувствительность и точность.
• Экспрессность.
• Возможность проведения сертификационного анализа.

Для анализа углерода, серы и фосфора с использованием эмиссионных спектрометров должны быть созданы в приборе определенные условия, а именно: бескислородная атмосфера. В противном случае определить элементы, длина волны которых короче 185 нм, не представляется возможным. В настоящее время удаление кислорода в приборе осуществляется двумя способами:

• путем прокачки инертным газом;
• вакуумированием.

Каждая из систем декислородизации имеет определенные особенности эксплуатации и обслуживания, поэтому при выборе прибора для анализа углерода, серы и фосфора следует учитывать их преимущества и недостатки. Это позволит подобрать спектрометр, который оптимально соответствует аналитической задаче, требованиям к точности результатов исследований и имеет удовлетворительные экономические показатели.

Оптико-эмиссионные приборы, предусматривающие прокачку инертным газом

В спектральных приборах для декислородизации используют чаще всего аргон. Для удаления кислорода предусматривается одна из следующих систем:

• Открытая. В результате продувки происходит вытеснение кислорода, а инертный газ удаляется из прибора в окружающую атмосферу.
• Замкнутая. При прохождении инертного газа происходит захват кислорода, который в дальнейшем очищается с помощью фильтра. Газ продолжает движение по замкнутой системе, давление в которой обеспечивает насос.

Приборы с открытой системой декислородизации отличаются простотой конструкции и меньшей стоимостью. Однако в этом случае степень очистки находится на низком уровне, а аргон расходуется безвозвратно. Применение подобных спектрометров целесообразно при пониженных требованиях к аналитическим характеристикам, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя.

Конструкция приборов с замкнутой системой декислодизации усложняется, так как для обеспечения функциональности необходимы дополнительные компоненты и их обслуживание:

• Насос с блоком питания.
• Баллон с газом для компенсации потерь.
• Дополнительный фильтрующий элемент.

Каждый из этих компонентов прибора требует обслуживания, а расходные материалы — замены, что связано с дополнительными расходами. Кроме этого, в результате непрофессиональных действий обслуживающего персонала возникает риск завоздушить систему при замене фильтра. Ликвидация последствий этого требует не только с дополнительных материальных затрат, но и времени.

Оптико-эмиссионные приборы с системой вакуумирования

Система вакуумирования позволяет получить низкую остаточную концентрацию кислорода, которая во много раз ниже, чем в открытой системе декислородизации, и сопоставима с лучшими результатами, полученными в замкнутых. Следует отметить, что при этом нет необходимости использования инертного газа.

Такая система удаления кислорода применяется в наиболее совершенных спектральных приборах. В них установлен масляный насос, который дополняется специальными ловушками для масла. Кроме этого, предусмотрен клапан, который при аварийном отключении электропитания, не допускает повреждения спектрометра маслом в результате его проникновения в вакуумную магистраль.

Двухступенчатые масляные форвакуумные насосы — наиболее предпочтительное оборудование по сравнению безмасляными мембранными моделями. Они имеют сопоставимую стоимость, но при этом в десятки раз превосходят последние по степени удаления кислорода, а также обладают значительным ресурсом и намного проще в обслуживании.

Они способны определять более 70 элементов, в число которых входят углерод, сера и фосфор, с пределом детектирования до 0,0001% Приборы позволяют быстро и точно проводить спектральный анализ сталей, и отличаются высоким спектральным разрешением, высокой сходимостью результатов измерений и высоким качеством изготовления.

Максимальное содержание углерода в стали

«Железо не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда».

 А.Е.Ферсман

Все знаю, что сталь является важнейшим инструментальным и конструкционным материалом для всех отраслей промышленности.

Металлургическая промышленность Украины насчитывает более 50 металлургических заводов и является стратегически важной для страны.

В Украине производится широкий ассортимент металлопроката, таких, как: арматура, круги, квадрат, катанка, проволока, полоса, уголок, балка, швеллер, листы, трубы и метизы.

Сталь

Рассматривая данный вопрос, начнем с химического состава.

Сталь – это соединение железо (Fe) + углерод (С) + другие элементы растворенные в железе.

Железо в чистом виде имеет очень низкую прочность, а углерод ее повышает.

Углерод улучшает и некоторые другие показатели:

• твердость,
• упругость,
• устойчивость к износу,
• выносливость.

 «Fe» в стали  должно быть — не менее 45%, «С»- не более 2,14% — теоретически,  однако на практике % концентрации углерода имеет следующий диапазон значений:

• Низкоуглеродистые стали —  0,1-0,13 %
• Углеродистые стали 0,14-0,5%
• Высокоуглеродистые – от 0,6%

 Чем выше процент содержания углерода в стали , тем выше ее прочность и меньше пластичность.

УГЛЕРОД — является неметаллическим элементом. Его плотность равна 2,22 г/см3, а плавится при t -3500 °С.

  В природе он присутствует 2х полиморфных модификаций – графит  (стабильная модификация) и алмаз (метастабильная модификация), а  в  сплаве с железом:

• в свободном  — графит (в серых чугунах),
• в связанном  — твердое состояние -цементит.

Углерод в соединении с железом находится в состоянии цементита, т.е в химической связи с железом (Fe3C).

Структура цементита может быть очень разной, а зависит она от процесса образования, содержания углерода и методов термообработок.

Углерод в свободном состоянии присутствует в сером чугуне  (СЧ), в виде графита. Серый чугун имеет пористую металлическую структуру и является весьма хрупким; на нем легко появляются трещины (особенно в процессе сварки).

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-71)

 Система железо- углерод

Структура стали изучается по диаграмме состояния системы железо- углерод. Она характеризует структурные превращения стали и выражает зависимость структурного состояния от температурных режимов и химического состава.

Диаграмма состояния системы железо- углерод

Диаграмма состояния содержит критические точи, которые очень важны теоретически и практически для процессов термообработки стали и их анализа.

С помощью диаграммы Fe-C — можно определить вид термообработки, температурный интервал изменения структуры и прогнозировать микроструктуру.

 Структуры стали

Сплавы железа с углеродом при различных температурах и различном содержании «С» имеют различную структуру, а соответственно и физические и химические свойства. Одним из таких состояний и является описанный выше цементит. А теперь о них:

Аустенит  – твердая структура  углерода в  гамма-железе — содержит «С» до 1,7% (t >  723° С). При снижении температуры аустенит распадается на феррит и цементит и возникает пластинчатая структура — перлит.

Феррит  — твердый раствор «C» в  α-железа- при t> 723-768° С , концентрация «С» составляет — 0,02%, а при t 20°С около 0,006% «С». Он очень пластичен, не тверд и имеет низкие магнитные свойства.

Цементит — карбид железа Fe3C. Концентрация «С»  6,63% . Цементит является хрупким , а его твердость — НВ760-800.

(на рисунке структура: цементит + перлит)

Перлит —  механическая смесь феррита и цементита, образуемая при постепенном охлаждении в процессе распада аустенита. Исходя из размера частиц цементита перлит имеет различные механические свойства. «С» -0,8%.

(на рисунке структура: феррит + перлит)

Ледебурит (структура чугуна) — смесь образующаяся из кристаллизация жидкого сплава цементита и аустенита. Ледебурит очень твердый, но хрупкий. Концентрация «С»-4,3%

Свойства стали

Конечно, не только углерод  влияет на свойства стали. Состав дополнительных элементов и их количество придают стали определенные свойства. Примеси бывают полезными и вредными.

Хорошие примеси влияют исключительно на сами кристаллы, а вредные негативно воздействуют на связь кристаллов между собой. К хорошим примесям относят : марганец (Mn), кремний (Si).

К плохим: фосфор (Р), серу (S), азот, кислород и другие.

Физические и механические свойства стали

Основными физическими свойствами стали являются:

• теплоемкость;
• теплопроводность;
• модуль упругости.

Понятие модуля упругости стали (Е) заключается в соотношении твердого вещества упруго деформироваться при воздействии силы.

Данная характеристика на прямую зависит от напряжения, а точнее, является производной соотношения напряжения к упругой деформации.

•  модуль сдвига (упругость при сдвиге) (G )– величина измеряемая в Паскалях (Па), определяющая упругие свойства тела или материала и их способность сопротивляться сдвигающим деформациям. Он применяется для расчета на сдвиг, срез, кручение.
•  коэффициент линейного и коэффициент объемного расширения при изменении температуры – это величина показывающая относительное изменение линейных размеров или объема материала или тела при увеличении температуры при неизменном давлении.

Основными механическими свойствами стали являются:

• — прочность
• — твердость
• — пластичность
• — упругость
• — выносливость
• — вязкость

Показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества ( ГОСТ 380-71)

Основными химическими свойствами стали являются:

•  степень окисления
•  устойчивость к коррозии
•  жаростойкость
•  жаропрочность

Качество стали определяется различными показателями всех ее свойств и структуры. Учитываются и свойства и изделий из этой стали.

По качеству стали разделяют на:

• обыкновенного качества,
• качественная сталь,
• высококачественная сталь.

В данной статье мы рассматриваем только структуру стали и связанные с ней понятия. Качество стали, состав дополнительных примесей и их свойства будут  рассмотрены в следующей публикации.

Классификация и маркировка сталей — ОВК-Снаб

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода.

В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

В свою очередь углеродистые стали могут быть:

• малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;
• среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%;
• высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%.

Легированные стали подразделяют на:

• низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%;
• среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;
• высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

Назначение

Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.

С особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

Качество

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на:

• Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.
• Качественные — до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.
• Высококачественные — до 0.025% серы и фосфора.
• Особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

Степень раскисления

По степени удаления кислорода из стали, т. е. По степени её раскисления, существуют:

• спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами «сп» в конце марки (иногда буквы опускаются);
• кипящие стали — слабо раскисленные; маркируются буквами «кп»;
• полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами «пс».

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:

• сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);
• сталь группы Б — по химическому составу;
• сталь группы В — с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности, относительное удлинение, предел текучести, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.

Конструкционные стали

Обозначают по ГОСТ 380-94 буквами «Ст» и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств.

Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква «Г» после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали.

Перед маркой указывают группу стали, причем группа «А» в обозначении марки стали не ставится.

Например:

• Ст1кп2 — углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);
• ВСт5Г — углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);
• Вст0 — углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).