Oceľ: definícia, klasifikácia, chemické zloženie a aplikácia

Ako často počujeme slovo "oceľ". A vyslovujú ho nielen odborníci v oblasti hutníckej výroby, ale aj obyčajní ľudia. Žiadna pevná konštrukcia sa nezaobíde bez ocele. V skutočnosti, keď hovoríme o niečom kovovom, máme na mysli výrobok vyrobený z ocele. Poďme zistiť, z čoho pozostáva a ako je klasifikovaný.

Definícia

Oceľ je možno najobľúbenejšou zliatinou, ktorá je založená na železe a uhlíku. Podiel posledne menovaných sa navyše pohybuje od 0,1 do 2,14% a prvý nemôže byť nižší ako 45 %. Jednoduchosť výroby a dostupnosť surovín majú zásadný význam pri šírení tohto kovu do všetkých sfér ľudskej činnosti.

Hlavný vlastnosti materiálu sa líši v závislosti od jeho chemického zloženia. Definíciu ocele ako zliatiny pozostávajúcej z dvoch zložiek, železa a uhlíka, nemožno nazvať úplnou. Môže zahŕňať napríklad chróm - na zabezpečenie tepelnej odolnosti a nikel - na zabezpečenie odolnosti proti korózii.

Povinné zložky materiálu prispievajú k vzniku ďalších výhod. Takže železo robí zliatinu tvárnou a ľahko deformovateľnou za určitých podmienok a uhlík-pevnosť a tvrdosť zároveň krehkosť. Preto je jeho podiel na celkovej hmotnosti ocele taký malý. Stanovenie spôsobu výroby zliatiny viedlo k obsahu mangánu v množstve 1% a kremíka – 0,4 %. Existuje množstvo nečistôt, ktoré sa objavujú počas tavenia kovu a ktoré sa snažia zbaviť. Spolu s fosforom a sírou kyslík a dusík tiež degradujú vlastnosti materiálu, čím sa stáva menej trvanlivým a mení sa plasticita.

Klasifikácia

Definícia ocele ako kovu s určitým súbor charakteristík, , samozrejme, je nepochybné. Je to však jeho zloženie, ktoré umožňuje klasifikovať materiál v niekoľkých smeroch. Napríklad kovy sa vyznačujú nasledujúcimi kritériami:

• podľa chemikálií;
• podľa štruktúry;
• podľa kvality;
• podľa dohody;
• podľa stupňa deoxidácie;
• podľa tvrdosti;
• podľa zvárateľnosti ocele.

Definícia ocele, označenie a všetky jeho vlastnosti budú opísané nižšie.

Označenie

Bohužiaľ neexistuje globálne označenie ocelí, čo výrazne komplikuje obchodné operácie medzi krajinami. V Rusku bol definovaný alfanumerický systém. Písmená označujú názov prvkov a spôsob deoxidácie a čísla označujú ich počet.

Chemické zloženie

Existujú dva spôsoby delenia ocele chemickým zložením. Definícia daná modernými učebnicami umožňuje rozlišovať medzi uhlíkatým a legovaným materiálom.

Prvá vlastnosť definuje oceľ ako nízkouhlíkovú, stredne uhlíkovú a vysoko uhlíkovú a druhá-nízkolegovanú, stredne legovanú a vysoko legovanú. Nazýva sa nízkouhlíkový kov, ktorý môže podľa GOST 3080-2005 obsahovať okrem železa aj tieto komponenty:

• Uhlík-do 0,2 %. Podporuje tepelné vytvrdzovanie, vďaka čomu sa zdvojnásobuje Dočasná odolnosť a tvrdosť.
• Mangán v množstve až 0,8 % aktívne vstupuje do chemickej väzby s kyslíkom a neumožňuje tvorbu oxidu železa. Kov lepšie odoláva dynamickému zaťaženiu a je náchylnejší na tepelné kalenie.
• Kremík-až 0,35 %. Pomocou toho sa zlepšujú mechanické vlastnosti, ako je viskozita, pevnosť, zvárateľnosť.

Podľa GOST je definícia ocele ako nízkouhlíkovej daná kovu, ktorý obsahuje okrem užitočných aj množstvo škodlivých nečistôt v nasledujúcich množstvách. Tento:

• Fosfor-až 0,08% je zodpovedný za výskyt zlomeniny za studena, zhoršuje vytrvalosť a silu. Znižuje rázovú pevnosť kovu.
• Síra-do 0,06 %. Komplikuje spracovanie kovov tlakom, zvyšuje krehkosť uvoľňovania.
• Dusík. Znižuje technologické a pevnostné vlastnosti zliatiny.
• Kyslík. Znižuje pevnosť a zabraňuje spracovaniu nástrojov počas rezania.

Je potrebné poznamenať, že nízkouhlíkové alebo nízkouhlíkové ocele sú obzvlášť mäkké a tvárne. Dobre sa deformujú v horúcich aj chladných podmienkach.

Definícia stredne uhlíkovej ocele, ako aj jej zloženie sa samozrejme líšia od materiálu opísaného vyššie. A najväčší rozdiel je množstvo uhlíka, ktoré sa pohybuje od 0,2 do 0,45 %. Takýto kov má nízku viskozitu a plasticitu spolu s vynikajúcimi pevnostnými vlastnosťami. Časti používané na bežné energetické zaťaženie sú zvyčajne vyrobené zo stredne uhlíkovej ocele.

Ak je obsah uhlíka vyšší ako 0,5%, potom sa takáto oceľ nazýva vysoko uhlíková. Má zvýšenú tvrdosť, zníženú viskozitu, plasticitu a používa sa na lisovanie nástrojov a dielov deformáciou za tepla a za studena.

Okrem detekcie uhlíka prítomného v oceli je možné určiť vlastnosti materiálu prostredníctvom ďalších nečistôt v ňom obsiahnutých. Ak sa do kovu okrem obvyklých prvkov cielene zavádza chróm, nikel, meď, vanád, titán, dusík v chemicky viazanom stave, potom sa nazýva legovaný. Takéto prísady znižujú riziko krehkého lomu, zvyšujú odolnosť proti korózii a pevnosť. Ich počet udáva stupeň legovania ocele:

• nízkolegované-má až 2,5% legujúcich prísad;
• Stredná zliatina - od 2,5 do 10 %;
• vysoká zliatina - do 50 %.

Čo to znamená? Napríklad zvýšenie akýchkoľvek vlastností ocele je zabezpečené nasledovne:

1. Pridanie chrómu. Má pozitívny vplyv na mechanické vlastnosti už vo výške 2 % z celkového objemu.
2. Zavedenie niklu od 1 do 5% zvyšuje teplotnú rezervu viskozity. A znižuje lámanie za studena.
3. Mangán funguje rovnako ako nikel, aj keď oveľa lacnejšie. Zvyšuje však citlivosť kovu na prehriatie.
4. Volfrám je prísada tvoriaca karbidy, ktorá poskytuje vysokú tvrdosť. Pretože pri zahrievaní zabraňuje rastu zrna.
5. Molybdén je drahá prísada. Čo zvyšuje tepelnú odolnosť vysokorýchlostných ocelí.
6. Kremík. Zvyšuje odolnosť voči kyselinám, pružnosť, odolnosť voči vodnému kameňu.
7. Titan. V kombinácii s chrómom a mangánom môže prispieť k tvorbe jemnozrnnej štruktúry.
8. Medi. Zvyšuje antikorózne vlastnosti.
9. Hliník. Zvyšuje tepelnú odolnosť, mierku, rázovú húževnatosť.

Štruktúra

Určenie zloženia ocele by bolo neúplné bez skúmania jej štruktúry. Táto vlastnosť však nie je konštantná a môže závisieť od mnohých faktorov, ako sú: režim tepelného spracovania, rýchlosť chladenia, stupeň legovania. Podľa pravidiel by sa štruktúra ocele mala určiť po žíhaní alebo normalizácii. Po žíhaní sa kov rozdelí na:

• pre-eutektoidná štruktúra - s prebytkom feritu;
• eutektoid, ktorý pozostáva z perlitu;
• zaeutektoid-so sekundárnymi karbidmi;
• - s primárnymi karbidmi;
• austenitický - s krištáľovou mriežkou zameranou na tvár;
• feritické-s mriežkou zameranou na kubický objem.

Určenie triedy ocele je možné po normalizácii. Rozumie sa to ako druh tepelného spracovania vrátane zahrievania, expozície a následného chladenia. Existujú rozlíšené perlitové, austenitické a feritické triedy.

Kvalita

Definícia typov sa stala možnou z hľadiska kvality v štyroch smeroch. Tento:

1. Bežnej kvality sú ocele s obsahom uhlíka do 0,6%, ktoré sa tavia v peciach s otvoreným ohniskom alebo v konvertoroch s použitím kyslíka. Sú považované za najlacnejšie a majú nižšie vlastnosti ako kovy iných skupín. Príkladom takýchto ocelí sú St0, St3sp, St5kp.
2. Kvalitné. Jasní predstavitelia tohto typu sú oceľové St08kp, St10ps, St20. Tavia sa pomocou rovnakých pecí, ale s vyššími požiadavkami na plnenie a výrobné procesy.
3. Vysoko kvalitné ocele sa tavia v elektrických peciach, čo zaručuje zvýšenie čistoty materiálu pre nekovové inklúzie, to znamená zlepšenie mechanických vlastností. Takéto materiály zahŕňajú St20A, St15X2MA.
4. Zvlášť vysoko kvalitné-vyrobené metódou špeciálnej metalurgie. Sú podrobené pretaveniu elektroslagov, ktoré zabezpečuje čistenie od sulfidov a oxidov. Ocele tohto typu zahŕňajú St18HG-Sh, St20HGNTR-Sh.

Konštrukčné ocele

Toto je možno najjednoduchšie a najzrozumiteľnejšie znamenie pre laika. Existujú konštrukčné, nástrojové a špeciálne ocele. Štrukturálne sa zvyčajne delí na:

1. Konštrukcia – to sú uhlíkové ocele bežnej kvality a zástupcovia nízkolegovaného sortimentu. Existuje na ne niekoľko požiadaviek, z ktorých hlavnou je zvárateľnosť na dostatočne vysokej úrovni. Príklady sú StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Vyrábajú sa cementované výrobky, ktoré pracujú v podmienkach povrchového opotrebenia a súčasne zažívajú dynamické zaťaženie. Patria sem nízkouhlíkové ocele St15, St20, St25 a niektoré legované: St15H, St20H, St15HF, St20HN, St12HNZA, St18X2N4VA, St18X2N4MA, St18HGT, St20HGR, St30HGT.
3. Na lisovanie za studena sa používa valcované lístie z vysoko kvalitných nízkouhlíkových vzoriek. Ako napríklad ST08YU, St08ps, St08kp.
4. Vylepšené ocele, ktoré prechádzajú zlepšením počas kalenia a vysokého popúšťania. Sú to ocele so stredným uhlíkom (St35, St40, St45, St50), chróm (St40X, St45X, St50X, St30HRA, St40HR), ako aj chróm-kremík mangán, chróm-nikel molybdén a chróm-nikel.
5. Pružinové pružiny majú elastické vlastnosti a udržujú ich dlhú dobu, pretože majú vysoký stupeň odolnosti voči únave a zničeniu. Sú to uhlíkatí zástupcovia St65, St70 a legovaných ocelí (St60X2, St50HGS, St60X2HFA, St55HGR).
6. Vzorky s vysokou pevnosťou sú tie, ktoré majú pevnosť dvakrát väčšiu ako iné konštrukčné ocele, dosiahnuté tepelným spracovaním a chemickým zložením. Vo veľkom sú to legované stredne uhlíkové ocele, napríklad St30HGSN2A, St40XN2MA, ST30HGS, St38HN3MA, STZN18K9M5T, St04HIN9M2D2TY.
7. Ocele s guľôčkovými ložiskami sa vyznačujú špeciálnou výdržou, vysokým stupňom odolnosti proti opotrebovaniu a pevnosťou. Musia mať požiadavky na absenciu rôznych druhov inklúzií. Tieto vzorky zahŕňajú ocele s vysokým obsahom uhlíka s obsahom chrómu v kompozícii (STSHX9, STSHX15).
8. Automatické ocele majú nasledujúcu definíciu. Ide o vzorky na použitie pri výrobe nezodpovedných výrobkov, ako sú ako skrutky, , matice, skrutky. Takéto náhradné diely sa zvyčajne spracovávajú rezaním. Preto je hlavnou úlohou zvýšiť obrobiteľnosť dielov, čo sa dosiahne zavedením telúru, selénu, síry a olova do materiálu. Takéto prísady prispievajú k tvorbe krehkých a krátkych triesok počas spracovania a znižujú trenie. Hlavní predstavitelia automatických ocelí sú označení takto: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Medzi ocele odolné voči korózii patria legované ocele s obsahom chrómu asi 12%, pretože na povrchu vytvára oxidový film, ktorý zabraňuje korózii. Zástupcovia týchto zliatin sú St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NUT,
10. Vzorky odolné voči opotrebovaniu sa používajú vo výrobkoch, ktoré pracujú pod abrazívnym trením, nárazmi a vysokým tlakom. Príkladom sú podrobnosti o železničných tratiach, drviacich a pásových vozidlách, ako napríklad St110G13L.
11. Žiaruvzdorné ocele môžu pracovať pri vysokej teplote. Používajú sa pri výrobe potrubí, náhradných dielov pre plynové a parné turbíny. Ide hlavne o vysoko legované nízkouhlíkové vzorky, ktoré nevyhnutne obsahujú nikel, ktorý môže obsahovať prísady vo forme molybdénu, nobia, titánu, volfrámu, bóru. Príkladom môže byť St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, ST40XYUS2M, St12X18N9T, STHN62MVKYU.
12. Tepelne odolné sú obzvlášť odolné voči chemickému poškodeniu vo vzduchu, plyne a peci, oxidačnému a nauhličovaciemu prostrediu, ale vykazujú tečenie pri silnom zaťažení. Zástupcovia tohto typu sú St15X5, St15X6CM, St40X9X2, St20X20N14X2.

Nástrojové ocele

V tejto skupine sú zliatiny rozdelené na lisované, na rezné a meracie nástroje. Existujú dva typy ocele pre pečiatky.

• Materiál na deformáciu za studena musí mať vysoký stupeň tvrdosti, pevnosti, odolnosti proti opotrebovaniu, tepelnej odolnosti. Ale majú dostatočnú viskozitu (StH12F1, StH12M, StH6VF, St6X5VMFS).
• Materiál na deformáciu za tepla sa vyznačuje dobrou pevnosťou a viskozitou. Spolu s odolnosťou proti opotrebeniu a odolnosťou voči stupnici (ST5KHNM, ST5KHNV, ST4KHZVMF, St4X5V2FS).

, Ocele pre meracie prístroje, okrem odolnosti proti opotrebeniu a tvrdosti, by sa mali líšiť stálosťou veľkosti a mali by sa ľahko brúsiť. Z týchto zliatin sú vyrobené kalibre, sponky, šablóny, pravítka, váhy, dlaždice. Príkladom môžu byť zliatiny StU8, St12X1, StHVG, StH12F1.

Určenie oceľových skupín pre rezné nástroje je pomerne jednoduché. Takéto zliatiny musia mať dlhú dobu reznú schopnosť a vysokú tvrdosť, aj keď sú zahrievané. Patria sem uhlík a zliatiny nástrojové ocele, ako aj vysokorýchlostné ocele. Tu môžete pomenovať nasledujúcich jasných predstaviteľov: StU7, StU13A, St9HS, StHVG, StR6M5, STRYUK5F5.

Deoxidácia zliatiny

Definícia ocele podľa stupňa deoxidácie znamená jej tri typy: pokojný, polopokojný a vriaci. Rovnaký koncept sa týka odstránenia kyslíka z kvapalnej zliatiny.

V pokojnej oceli sa plyny počas tuhnutia takmer neuvoľňujú. Je to spôsobené úplným odstránením kyslíka a vytvorením zmršťovacieho ingotu plášťa na vrchu, ktorý sa potom odreže.

V polopokojnej oceli sa plyny čiastočne uvoľňujú, to znamená viac ako v pokoji, ale menej ako vo varení. Nie je tu umývadlo, ako v predchádzajúcom prípade, ale na vrchu sa tvoria bubliny.

Vriace zliatiny emitujú počas tuhnutia veľké množstvo plynu a v priereze je ľahké si všimnúť rozdiel v chemickom zložení medzi hornou a spodnou vrstvou.

Tvrdosť

Tento koncept sa týka schopnosti materiálu odolávať tvrdšiemu, ktorý do neho preniká. Stanovenie tvrdosti bolo možné pomocou troch metód: L. Brinel, M. Rockwell, O. Vickers.

Podľa Brinellovej metódy sa do lešteného povrchu vzorky vtlačí kalená oceľová guľa. Štúdiom priemeru tlače sa stanoví tvrdosť.

Metóda stanovenia tvrdosti ocele spoločnosťou Rockwell. Je založená na výpočte hĺbky prieniku hrotu vo forme diamantového kužeľa s uhlom 120 stupňov.

Podľa Vickersa sa do testovacej vzorky vtlačí diamantová štvorboká pyramída. S uhlom 136 stupňov na opačných stranách.

Je možné určiť stupeň ocele bez chemická analýza? Špecialisti v oblasti kovovedy sú schopní rozpoznať značku ocele iskrou. Stanovenie kovových komponentov je možné počas jeho spracovania. Takže napríklad:

• HVG steel má tmavé karmínové iskry so žlto-červenými škvrnami a zväzkami. Na koncoch rozvetvených nití sa objavujú jasne červené hviezdy so žltými zrnami v strede.
• Oceľ P18 je tiež určená tmavými karmínovými iskrami so žltými a červenými zväzkami na začiatku, ale vlákna sú rovné a nemajú vetvy. Na koncoch zväzkov sú iskry s jedným alebo dvoma svetložltými zrnami.
• Triedy ocele HG, X, SHX15, SHX9 majú žlté iskry so svetlými hviezdami. A červené zrná na vetvách.
• Oceľ U12F sa vyznačuje svetložltými iskrami s hrubými a veľkými hviezdami. S niekoľkými červeno-žltými zväzkami.
• Ocele 15 a 20 majú jasne žlté iskry, veľa konárov a hviezd. Existuje však niekoľko zväzkov.

Stanovenie ocele pomocou iskry je pre špecialistov pomerne presnou metódou. Bežní ľudia však nemôžu charakterizovať kov štúdiom iba farby iskry.

Zvárateľnosť

Vlastnosť kovov tvoriť zlúčeninu pod určitým vplyvom sa nazýva zvárateľnosť ocelí. Stanovenie tohto ukazovateľa je možné po zistení obsahu železa a uhlíka.

Predpokladá sa, že nízkouhlíkové ocele sú dobre spojené zváraním. Keď obsah uhlíka prekročí 0,45%, zvariteľnosť sa zhorší a stane sa najhoršou, keď je obsah uhlíka vysoký. Stáva sa to aj preto, že sa zvyšuje heterogenita materiálu a na hraniciach zŕn sa uvoľňujú sulfidové inklúzie, čo vedie k tvorbe trhlín a zvýšeniu vnútorného napätia.

Pôsobia aj legujúce zložky, ktoré degradujú zlúčeninu. Najnepriaznivejšie pre zváranie sú chemické prvky ako chróm, molybdén, mangán, kremík, vanád, fosfor.

Avšak súlad s technológiou pri práci s nízkolegovanými oceľami poskytuje dobré percento zvárateľnosti bez použitia špeciálnych opatrení. Stanovenie zvárateľnosti je možné po vyhodnotení množstva dôležitých vlastností materiálu vrátane:

• Rýchlosť chladenia.
• Chemické zloženie.
• Typ primárnej kryštalizácie a štrukturálne zmeny počas zvárania.
• Schopnosť kovu vytvárať trhliny.
• Tendencia materiálu k vzhľadu kaliacich formácií.