Металевий профіль: сталь

Сталь, найкращий будівельний матеріал у світі, є сплавом заліза , який містить від 0,2% до 2% вуглецю за вагою, а іноді й невеликі кількості інших елементів, зокрема марганцю. Крім будівель, він використовується у виробництві техніки, автомобілів, літаків.

історія

Поява комерційного виробництва сталі відбулася наприкінці 19 століття і стала результатом створення сером Генрі Бессемером ефективного способу зниження вмісту вуглецю в чавуні. Зменшуючи кількість вуглецю, виробляється набагато твердіший і більш пластичний металевий виріб зі сталі.

Сталь існує з часів залізного віку , який тривав приблизно з 1200 р. до н. е. до 550 р. до н. Хетти, які жили на території сучасної Туреччини, можливо, були першими людьми, які виробляли сталь шляхом нагрівання заліза з вуглецем.

виробництво

Сьогодні більшість сталі виробляється основними кисневими методами (також відомими як базове кисневе виробництво сталі або BOS). BOS отримав свою назву від процесу, який вимагає вдування кисню у великі посудини, що містять розплавлений чавун і сталевий брухт.

Незважаючи на те, що на BOS припадає найбільша частка світового виробництва сталі, використання електродугових печей (ДДП) зростає з початку 20-го століття і зараз становить близько двох третин виробництва сталі в США . Виробництво ДСП передбачає плавлення сталевого брухту електричним струмом.

Сорти і види

За даними Всесвітньої асоціації сталі, існує понад 3500 різних сортів сталі , які мають унікальні фізичні, хімічні та екологічні властивості. Ці властивості включають щільність, еластичність, температуру плавлення, теплопровідність, міцність і твердість. Для виготовлення сталі різних марок виробники змінюють типи та кількість легованих металів, кількість вуглецю та домішок, виробничий процес і спосіб обробки отриманої сталі.

Комерційні сталі також зазвичай класифікуються на чотири групи, які відрізняються залежно від вмісту металевих сплавів і кінцевого використання:

1. Вуглецеві сталі включають низьковуглецеві (менше 0,3 % вуглецю), середньовуглецеві (до 0,6 % вуглецю), високовуглецеві (до 1 % вуглецю) і надвисоковуглецеві (до 2 % вуглецю) сталі . . Низьковуглецева сталь є найпоширенішою і найслабкішою з трьох типів. Він доступний у широкому спектрі форм, включаючи листи та балки. Чим вищий вміст вуглецю, тим складніше зі сталлю працювати. Високовуглецеві та надвисоковуглецеві сталі використовуються в ріжучих інструментах, радіаторах, пуансонах і дротах.
2. Леговані сталі містять інші метали, такі як алюміній, мідь або нікель. Вони можуть використовуватися в автозапчастинах, трубопроводах і двигунах.
3. Нержавіючі сталі завжди містять хром і, можливо, також нікель або молібден. Вони блискучі і, як правило, стійкі до корозії. Чотири основні типи нержавіючої сталі : феритна , яка схожа на вуглецеву сталь і дуже стійка до корозійного розтріскування під напругою, але не підходить для зварювання; аустенітний , який є найбільш поширеним і хорошим для зварювання; мартенситний , який має помірну стійкість до корозії, але високу міцність; і дуплекс , який складається наполовину з феритної та наполовину аустенітної сталей і є міцнішим за будь-який із цих двох типів. Оскільки нержавіюча сталь легко стерилізується , її часто використовують у медичному обладнанні та інструментах, а також у харчовому обладнанні.
4. Інструментальні сталі леговані твердими металами, такими як ванадій, кобальт, молібден і вольфрам. Як випливає з назви, їх часто використовують для виготовлення інструментів, зокрема молотків.

Додаткове використання

Універсальність сталі зробила її найпоширенішим і найбільш переробленим металевим матеріалом на Землі. Крім того, його висока міцність і відносно низька вартість виробництва роблять його придатним для використання в незліченних сферах застосування, в тому числі на залізницях, човнах, мостах, кухонному посуді, упаковці та електричних трансформаторах.

СТАЛІ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ У БУДІВНИЦТВІ

Сталь — це сплав заліза з вуглецем і незнач­ними домішками, які надходять разом з рудою та паливом. У ряді випадків для поліпшення властивостей до складу сталі вводять легуючі компоненти. Залежно від вмісту легуючих склад­ників сталі поділяють на вуглецеві — легуючі компоненти не вводяться; низьколеговані — су­марний вміст легуючих компонентів не переви­щує 2,5 %; середньолеговані — легуючих еле­ментів 2,5—10 °/с, високолеговані — легуючих до­мішок понад 10 %.

У будівництві найчастіше застосовують вугле­цеві та низьколеговані сталі. Середньолеговані сталі використовують рідше, а високолеговані — лише в окремих екстремальних випадках, напри­клад, при високих чи дуже низьких температу­рах, в агресивних середовищах тощо. Це зумов­лено нестачею і високою вартістю легуючих ком­понентів.

Вуглецеву сталь поділяють на мало – вуглецеву — з вмістом вуглецю до 0,25 %; се – редньовуглецеву — вуглецю 0,25. 0,60 %; високо – вуглецеву — вуглецю 0,60. 2,00 %.

Будівельні сталі містять вуглецю до 0,22 %, тобто вони маловуглецеві. Два останніх види ста­лей широко застосовують у машинобудуванні як конструкційні, інструментальні тощо.

Кількість вуглецю має вирішальний вплив на механічні властивості сталей. При сполученні вуг­лецю з залізом виникають карбіди, які є основ­ними зміцнювальними структурними утворення­ми сталі. Збільшення вмісту вуглецю зумовлює зростання міцності, але водночас знижує плас­тичність та зварюваність сталі. Невеликий вміст вуглецю у будівельних сталях забезпечує їхню добру зварюваність і високу пластичність.

Суттєво підвищує міцність без значного зни­ження пластичності марганець, який завжди на­явний у сталях. Його вміст у вуглецевих сталях переважно становить 0,30. 0,65 %, а у легова­них — більший, залежно від марки сталі.

Третьою домішкою, яку найчастіше містять вуглецеві сталі, є кремній — найпоширеніший розкиснювач. Він сприяє отриманню дрібнозер­нистої структури та підвищенню міцності. Але при цьому зменшується зварюваність і стійкість до корозії. Тому бажано, щоб вміст кремнію не перевищував 0,3 %.

В умовах, які спричиняють інтенсивну коро­зію, корисною домішкою є мідь. Разом з поліпшен­ням корозійної стійкості мідь підвищує і міцність (хоча менше, ніж марганець), але погіршує зва­рюваність.

Крім зазначених елементів, .деговані сталі до­датково містять такі домішки, як нікель, хром, ванадій, вольфрам, молібден, титан, бор тощо. їх введення до складу сталей поліпшує експлуа­таційні якості матеріалу. Але при цьому необхідно пам’ятати, що запаси легуючих елементів обме­жені, а вартість висока. Окрім цього, підвищений вміст легуючих компонентів погіршує зварю­ваність. Економічно вигідним способом покращен­ня сталі є так зване карбонітридне зміцнення, коли зміцнювальними компонентами є не лише карбіди металів, але й їхні нітриди. Суттєве підвищення міцності та холодостійкості досягає­ться введенням у сталь невеликої кількості карбі – до – і нітридоутворювальних домішок: азоту, ва­надію, ніобію, що не призводить до помітного по­гіршення зварюваності та зростання вартості.

Поряд з корисними домішками до складу ста­лей входять і шкідливі, які неминуче надходять з рудою та паливом. У першу чергу це такі, як сірка і фосфор. Сірка та фосфор роблять сталь крихкою, схильною до утворення тріщин відповід­но при високих і низьких температурах. Дуже шкідливими є кисень, водень та вільний азот, які також зумовлюють крихкість сталей.

Суттєвий вплив на якість сталі як матеріалу для металевих конструкцій мають особливості її кристалічної будови. При кімнатній температурі основна складова частина вуглецевої сталі — залізо — перебуває у вигляді мікроскопічних зерен, що мають атомну гратку фериту. Орієнта­ція граток окремих зерен хаотична. У місцях включень інших елементів і на межах зерен пра­вильність гратки порушена.

Вуглець перебуває у хімічній сполуці зі за­лізом, утворюючи карбід заліза — так званий це­ментит. Ферит досить м’який і пласіичний. Це­ментит, навпаки, дуже твердий і крихкий. Через незначний вміст вуглецю цементит утворюється у невеликій кількості і в структурі сталі він має вигляд перліту — тонкодисперсної суміші час­тинок цементиту і фериту, що не мають правиль­ної кристалічної будови. Розміщується перліт між зернами фериту у вигляді прошарків і окремих включень. Як і цементиту, йому властиві значна міцність та пружність.

Структура легованих сталей подібна до вуглецевої. Легуючі компоненти знаходяться у твердому розчині з залізом, порушуючи пра­вильність кристалічної гратки зерен фериту, а також сприяючи утворенню карбідів і нітридів, що додатково зміцнюють прошарки між зернами.

Характер деформацій сталі під дією наванта­ження визначається спільним деформуванням її складових частин. В окремих зернах фериту пластичні деформації виявляються вже при не­значних навантаженнях, значно раніше, ніж на­пруження досягнуть межі текучості сталі. Пояс­нюється це тим, що окремі шари атомів у кристалі фериту під дією зусиль відносно легко зсуваються один щодо іншого.

На рис. 2.1, а—д показані послідовні стадії де­формування монокристала. При незначних зусил­лях спостерігаються пружні деформації внаслідок розтягнення міжатомних зв’язків (рис. 2.1, б). При зростанні навантаження окремі зв’язки між ато­мами розриваються і „правильність” атомної ґратки порушується, з’являється так звана лінійна дислокація А (рис. 2.1, в). Далі ця дисло­кація просувається вздовж площини ковзання до межі кристала (рис. 2.1, г). На рис. 2.1, д зображено гратку після пластичної деформації кристала.

Межа між окремими зернами фериту є пере­шкодою для просування лінійної дислокації, оскільки при хаотичній орієнтації граток площини ковзання у сусідніх зернах не співпадають (рис. 2.1, е). Для подолання межі між зернами необхідні додаткові зусилля. Цим пояснюються ліпші ме­ханічні якості дрібнозернистих сталей, у яких кількість міжзернових меж більша. Наявність на межах зерен перлітових вкраплень іпрошарків до­датково утруднює просування дислокацій і підви­щує міцність.

Крім лінійної, існують ще гвинтова, об’ємна та точкова дислокації (рис. 2.2). Наявність у моно­кристалі початкових пошкоджень кристалічної гратки, наприклад, атомів легуючих домішок (рис. 2.2, б, в), також утруднює пересування дис­локацій, зумовлених силовими впливами, і тим самим дає змогу уникнути прояву пластичних де­формацій та сприяє зростанню міцності. Необ­хідно зазначити, що поблизу межі зерна крис­талічна гратка дуже деформована. Це також є фактором, який позитивно впливає на міцність.

Для одержання оптимальної структури сталь піддають термічній обробці. За звичайних темпе­ратур розчинність вуглецю у фериті незначна і практично весь він зосереджений на межах зерен. За високих температур атоми вуглецю є скла­довими частинами кристалічної гратки аустеніту. При нагріванні сталі до температури переходу гратки фериту в аустеніт (890. 920 °С) через не­рівномірне збагачення зерен фериту вуглецем на місці зерна фериту утворюється кілька зерен аус­теніту. Під час повільного охолодження на повітрі в різних частинах зерен аустеніту цементит ут­ворюється також неодночасно, що, в свою чергу, розбиває його на кілька зерен фериту. Цей процес називається нормалізацією. У результаті сталь стає більш однорідною, зростає її в’язкість і плас­тичність.

При швидкому охолодженні (наприклад, во­дою) сталі, нагрітої до температури фазового перетворення, відбувається гартування. Сталь зберігає переохолоджену гратку аустеніту і містить вуглець у твердому розчині. Така струк­тура нестійка. Для її стабілізації здійснюють від­пуск — повторне нагрівання з повільним охолод­женням. Найчастіше відпуск виконують при ниж­чих температурах, ніж гартування — до 700 °С. При цьому отримують дрібнозернисту феритову структуру, рівномірно зміцнену перлітовими про­шарками і вкрапленнями. Це так званий сорбіт відпуску, який має високу міцність і в’язкість. По­трібна структура може бути отримана і без від­пуску, якщо належним чином вибрано швидкість охолодження після гартування.

Під час термічної обробки одночасно знімають­ся внутрішні напруження, що також сирияє по­ліпшенню властивостей сталі.

Незважаючи на мізерну розчинність вуглецю у фериті, все ж деяка його частина під час крис­талізації розплаву залишається у складі зерен у вигляді твердого розчину. З часом атоми вуг­лецю дифундують до меж зерен, збільшуючи там кількість карбіду заліза. Виділяються також кар­біди і нітриди інших елементів, внаслідок чого зростає міцність сталі, але одночасно знижуються її пластичність, опір крихкому руйнуванню, ди­намічним і ударним навантаженням. Цей процес називається старінням металу. З підвищенням температури, при періодичному нагріванні та охо-

Рис. 2.2. Дислокації: гвинтова (а); точкові (б, «і, г); б — міжвузловий атом; d — атом заміщення; г — вакансія.

Лодженні 1іід дією постійних і особливо змінних напружень, під час механічних впливів старіння прискорюється.

Якість сталі оцінюють за механічними влас­тивостями та хімічним складом. Як зазначено вище, робота сталі під навантаженням значною мірою залежить від міцності й роботи поверхонь зерен та прошарків між ними. На початкових ста­діях завантаження пластичні деформації зерен фериту стримуються опором контактних повер­хонь, прошарків перліту та інших вкраплень. При напруженнях, що дорівнюють межі текучості ат (рис. 2.3), їх онір долається. Енергія деформації, накопичена зернами фериту та стримувана зміц­нювальними структурами, виділяється, і відбу­вається загальний зсув. На діаграмі з’являється ділянка текучості. У високоміцних сталей опір перлітових вкраплень, легуючих компонентів та їх карбідів і нітридів настільки великий, що ділян­ка текучості не виявляється. В цьому випадку відзначають умовну межу текучості сти2 (рис. 2.3).

Зі збільшенням навантаження при пластичних деформаціях зв’язок між частинами кристалів на площинах ковзання зменшується. Відповідно до цього зменшується і модуль деформацій, а діа­грама стає щоразу пологішою, поки не буде до­сягнута межа міцності см, за якої рівновага між навантаженнями і внутрішніми напруженнями неможлива, а метал руйнується.

Відносне видовження зразка після розриву є показником пластичності. Відносне видовжен­ня будівельних сталей залежно від складу і структури змінюється у широких межах від

Рис. 2.3. Ідеалізовані діаграми деформації сталі: 1 — маловуглецевої звичайної міцності; 2 — високоміцної легованої.

20. 25 % для м’яких маловуглецевих сталей зви­чайної міцності, до 8. 10 % — для високоміцних.

Схильність сталі до крихкого руйнування при ударному навантаженні оцінюється за ударною в’язкістю — роботою, необхідною для руйнування стандартного зразка ударним вигином. Для буді­вельних сталей не допускається зниження цього показника нижче 0,3 МДж/м2. Значення ударної в’язкості залежить не лише від складу та струк­тури сталі, але й від температури. Гіри темпе­ратурі нижче 0 °С значення ударної в’язкості різ­ко зменшується, і лише сталі, до складу яких входять легуючі компоненти, мають належну пра­цездатність при низьких температурах.

Основним видом обробки на заводах, що ви­готовляють металеві конструкції, є обробка у хо­лодному стані (різання, пробивання отворів, гнут­тя тощо). Тому важливою є здатність сталі плас­тично деформуватися при звичайних температу­рах без утворення тріщин. За цим показником оцінку ведуть після загинання стрічкового зразка навколо круглої оправки. Показником є наймен­ший діаметр круглої оправки, навколо якої зразок згинається на 180° без утворення тріщин. Пере­важно для будівельних сталей цей показник не повинен бути більшим за дві товщини зразка

Хімічний склад сталі характеризується про­центним вмістом у ній різних домішок. Сталі з однаковим хімічним складом і механічними влас­тивостями об’єднують у марки.

Залежно від гарантій постачальників сталі поділяють на групи та категорії. Розрізняють три групи вуглецевих сталей:

Група А — сталь має гарантовані механічні якості;

Група Б — сталь має гарантований хімічний склад;

Група В — сталь має гарантовані механічні якості та хімічний склад.

Для будівельних конструкцій використовують лише маловуглецеву сталь групи В, оскільки для забезпечення міцності конструкцій необхідні га­
рантовані механічні властивості, а для зварюва­ності — хімічний склад. За способом виплавлення будівельні сталі найчастіше бувають мартенівсь­кими або конверторними. Сучасна технологія ви­плавлення конверторної сталі дає метал, близь­кий за якістю до отриманого в мартенах. Тому при поставках спосіб виплавлення не зазначають. Перспективною є сталь з губчастого заліза пря­мого відновлення, яке отримують переробкою рудного концентрату в спеціальних печах. Оста­точно сталь отримують переплавленням губчас­того заліза з необхідними домішками в електро­печах. Така сталь відзначається підвищеною чис­тотою.

Після виплавлення сталь містить розчинені гази (переважно 02, СО та С02) як наслідок окис – нення вуглецю чавуну. При охолодженні ці гази бурхливо виділяються. Сталь ніби кипить, звідси й походить назва кипляча сталь. Виділення газів під час кристалізації призводить до неоднорід­ності металу. З цієї причини і внаслідок підви­щеного вмісту кисню така сталь має знижений опір крихкому руйнуванню. З метою поліпшення якості при закінченні плавки в сталь вводять роз – кисники, що зв’язують кисень. Реакція окиснення вуглецю припиняється, і сталь кристалізується спокійно. Як розкисники найчастіше використо­вують відносно дешевий кремній, рідше — до­рожчі марганець, алюміній, інколи кальцій чи ти­тан. Таку сталь називають спокійною. Вона значно однорідніша, а вміст кисню низький. Розкисники одночасно поліпшують властивості металу і зу­мовлюють подорожчання сталі.

Напівспокійна сталь є компромісом між кип­лячою і спокійною. Витрата розкисників у два— п’ять разів менша, ніж для спокійної сталі. Від­повідно нижчою є і вартість. Але за якістю така сталь поступається спокійній. Тому для важливих конструкцій та елементів використовують спокій­ні сталі. Більшість будівельних легованих сталей виплавляють спокійними.

Для виготовлення будівельних металевих кон­струкцій найчастіше застосовують вуглецеві сталі таких марок: ВСтЗкп2, ВСтЗпсб, ВСтЗспб, ВСтЗГспй, де В — група поставки сталі; СтЗ — порядковий номер сплаву; кп, пс і сп — скорочені позначки (відповідно киплячої, напівспокійної і спокійної) ста­лей. Остання цифра марки позначає категорію по­ставки.

Для всіх категорій поставки гарантуються такі механічні властивості, як межа текучості, чи умовна межа текучості, межа міцності, відносне видовження після розриву. Різняться категорії переважно гарантіями щодо ударної в’язкості. Ударна в’язкість може не гарантуватися (кате­горія 2), гарантуватися при +20 °С (категорія 3), а також гарантуватися при різних від’ємних тем­пературах, у тому числі й після старіння: кате­горії 4—6 для вуглецевих сталей і до 15 категорії для низьколегованих. Наприклад, для вуглецевої сталі категорії 4 гарантується ударна в’язкість до —20 °С; категорії 5 до _20 °С і після механіч­ного старіння; 6 — тільки після механічного старіння. У низьколегованих сталей гарантії по­ширюються на ще нижчі температури.

У позначках марок легованих сталей відобра­жено їхній хімічний склад, який впливає на ме­ханічні властивості сплавів. Літери є умовними позначками назви компонентів сплаву. Напри­клад: (У) вуглець підвищує міцність, знижує пластичність і зварюваність; (С) кремній вживає­ться як розкисник, впливає подібно до вуглецю, але дещо слабше; (Г) марганець підвищує міц­ність, слабо впливає на пластичність та зварю­ваність, компенсує вплив сірки; (Д) мідь підвищує корозійну стійкість та міцність, дещо знижує пластичність; (Ю) алюміній добрий розкисник, але дорожчий за кремній, нейтралізує дію фосфору, дещо підвищує ударну в’язкість; (А) азот у хімічно незв’язаному стані шкідливий, а у вигляді нітридів алюмінію, ванадію, титану покращує ме­ханічні властивості; (Н) нікель, (X) хром, (Ф) ва­надій, (В) вольфрам, (М) молібден, (Т) титан, (Р) бор — найпоширеніші легуючі компоненти, що по­ліпшують механічні властивості сталей і їхню стійкість до корозії. Для металевих конструкцій рекомендують такі леговані сплави: 09Г2, 14Г2 — марганцеві; 09Г2С, 10Г2С, 10Г2СІ — марганцево – кремнієві; 15ГФ та 15Г2СФ — марганцево-ва­надієві та марганце-ванадієво-кремнієві; 15ХСНД, 10ХСНДП — хромокремнієнікелевомідні; 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ, 12Г2СМФ, 14Х2ГМР, 14ХМНДФР, 14ХГН2МД — високоміцні екладнолеговані сталі. Дві перші цифри характеризують вміст вуглецю у сотих частках процента, а цифри перед умов­ними позначками елементів — їхній вміст у про­центах (вміст до 1 % цифрою не позначається).

Для кожної конкретної конструкції марку виз­начають згідно з призначенням споруди, видом напруженого стану, а також способом виготовлен­ня і умовами експлуатації. За цими показниками конструкції поділяють на чотири групи.

До першої групи належать зварні конструкції, які працюють в особливо важких умовах при не­сприятливих напружених станах. Остання, чет­верта, група об’єднує другорядні та допоміжні елементи, напружений стан і технологія виготов­лення яких сприяють безпеці експлуатації. Де­тальний опис ознак, за якими конструкції поді­ляють на групи та рекоменовані для них марки сталей, подано у додатку 5.

Щоб спростити визначення механічних харак­теристик сталей і створити передумови для їх взаємозаміни під час виготовлення конструкцій, у нормативних документах (СНиП П-23-81*) марки сталей згруповані. За ГОСТ 27772—88 сталі позначають так: С235, С245, С255, С275, С285, С345 та С345Т, С345К, С375 та С375Т, С390 та С390Т, С390К, С440, С590 і С590К. Наприклад, сталь С235 об’єднує рекомендовані для викорис­тання у металевих конструкціях марки: ВСтЗкп2, ВСТЗкіі2-1 та 18кп; сталь С245 — листовий про­кат товщиною до 20 мм і фасонний до ЗО мм марки ВСтЗгісб та марки ВСтЗпсб-1, 18пс; сталь С255 — марки ВСтЗспо, ВСтЗГпс5, ВСЗпсО (листовий про­кат товщиною 20. 40 мм і фасонний понад ЗО мм), ВСтЗсгі5-1, ВСтЗГпс5-1, 18 сп, 18Гпс, 18Гсп, сталь С275 містить лише одну рекомендовану марку ВСтЗпсб-2; сталь С285 — дві марки, а саме ВСтЗсп5-2, ВСтГпс5-2; сталі С345 і С345Т — марки 09Г2, 09Г2С, 14Г2 (листовий і фасонний прокат товщиною до 20 мм), 15ХСНД (листовий прокат товщиною до 10 мм і фасонний до 20 мм) тощо. У назвах буква “С” є скороченням слова сталь, а подальші цифри вказують на найбільше значення нормативного опору сталі за межею те­кучості при розтягові (у мегапаскалях). Варто звернути увагу на те, що зі збільшенням товщини прокату характеристики міцності зменшуються, і прокат однієї й тієї ж марки, але різної товщини може належати до різних сталей. Окрім цього, в межах однієї позначки сталі прокат різної тов­щини має різні нормативні та розрахункові опори.

Як проводиться відпал сталі? Види термічної обробки

Відпал сталі – це процес термічної обробки, що передбачає нагрівання металу, витримку за певних температур і повільне охолодження. На даному етапі обробки він набуває параметрів, без яких можуть бути неможливі деякі наступні технологічні операції. Щоб краще зрозуміти, що таке відпал сталей, необхідно розібратися, як проводиться відпал сталі та з якою метою, які бувають різновиди і яка основна мета відпалу.

Навіщо потрібен відпал металу?

Він використовується для покращення якісних параметрів металопродукції та дозволяє:

• знизити твердість та покращити пластичність – для полегшення різання, свердління та інших видів механічної обробки виробів;
• зменшити внутрішні напруження, що виникли в результаті первинної обробки;
• змінити властивості наклепаного металу після холодної пластичної деформації;
• усунути структурну неоднорідність матеріалу, що має місце при затвердінні виливки після лиття.

У ряді випадків для отримання бажаних характеристик продукції вистачить неповного відпалу металу. Але в будь-якому випадку необхідно суворо дотримуватись призначених режимів термічної обробки (час витримки, температура нагріву та швидкість охолодження).

Для якісного проведення відпалу необхідно використовувати спеціалізоване термічне обладнання та високоточні контрольно-вимірювальні прилади. В іншому випадку досягти позитивних результатів такої термічної обробки буде дуже складно. Єдиним орієнтиром стане колір гарячого металу, точність якого дуже відносна і залежить від багатьох факторів, включаючи досвід терміста, який виконує оцінку.

Види відпалу сталі та їх особливості

Методи даної термообробки поділяються на дві основні категорії: першого та другого роду. Також розрізняють такі види відпалу металу, як повний та неповний. До категорії 1-го роду входять усі операції, у яких сталь знаходить необхідні властивості, але процес не доходить до фазової рекристалізації.

Вид такої термічної обробки як відпал 2-го роду передбачає фазові перетворення сплавів. Він включає нагрівання вище критичних точок фазових перетворень і охолодження з точним дотриманням тимчасового і температурного режиму. Внаслідок такого термічного впливу структура сплаву значно змінюється. Далі розглянемо докладніше процес відпалу сталі та його види.

Повний відпал

Цей метод використовують для доевтектоїдних та евтектоїдних сталей, які містять вуглець у кількості, що не перевищує 0,8%. Процедура передбачає нагрівання на 30-50 градусів Цельсія вище критичних температур. Сталь трансформується в аустеніт. Потім відбувається повільне охолодження до 500-600°C, у якому утворюється феритно-перлітна структура.

По завершенні операції повного відпалу сталі структура сплаву приходить до однорідного стану, усувається смугастість і текстура, а всі внутрішні напруження знімаються. Завдяки цьому матеріал стає піддатливим при подальшій обробці.

Неповний відпал

Подібна термообробка – це нагрівання у міжкритичний інтервал температур, витримка та повільне охолодження. Спочатку сплав нагрівають на 30-50°C вище за точку A1 (для більшості вуглецевих і низьколегованих сталей температура нагріву становить близько 740-770°C). Під час витримки відбувається часткова перекристалізація – перліт перетворюється на аустенітну фазу. Надлишковий ферит трансформується в аустеніт тільки частково.

Після неповного відпалу сплав стає максимально м’яким. У такому вигляді він легко піддається механічній обробці.

Ізотермічний відпал

Цей метод використовують для легованих сталей та сплавів. Сировину нагрівають на 30-50°С вище верхньої критичної точки Ас₃ – до стану аустеніту. Потім метал охолоджують із прискоренням до 660-680 градусів за Цельсієм. При цій температурі сталь проходить витримку, під час якої відбувається перетворення на перліт. Тому важливо врахувати такий фактор, як температура відпалу. Завершальний етап ізотермічного відпалу сталей – охолодження на повітрі.

Після термообробки за ізотермічною технологією виріб набуває більш чистої поверхні, стає однорідним за структурою. Також його легше обробляти різанням через збільшений рівень пластичності. Тому це найбільш використовувана технологія відпалу нержавіючої сталі.

Дифузійний відпал

Цей спосіб називають також гомогенізаційним і застосовують переважно для злитків з метою усунення дендритної ліквації та інших видів хімічної та структурної неоднорідності. Його відносять до досить тривалих видів термічної обробки, тому це досить дорога процедура. Дифузійний відпал металів передбачає нагрівання до 1000-1200°С, тривалу витримку протягом 10-20 годин та повільне охолодження з піччю. Загальна тривалість такої термічної обробки може сягати 100 годин й більше.

Після закінчення гомогенізаційного відпалу металурги отримують метал з розчиненими надлишковими фазами та більш рівномірним хімічним складом, з підвищеною пластичністю та в’язкістю. З іншого боку, дифузійний відпал може призводити до небажаних явищ, наприклад зростання аустенітного зерна, що може вимагати проведення додаткових операцій.

Рекристалізаційний відпал

Призначений для жорстких та непіддатливих заготівель, що пройшли холодну обробку тиском. Цей метод призначений для зняття ефекту наклепу та використовується для:

• труб;
• листового прокату;
• прутків;
• дроту;
• штампування.

Цей спосіб відпалу застосовують для деформованих сплавів як остаточну або проміжну операцію. В межах процедури виріб нагрівають на 100-200°C вище за температуру рекристалізації, витримують та охолоджують.

На виході металурги отримують сплав із цілком новими, найчастіше рівноосними зернами. Рекристалізаційна термічна обробка сталі повертає металу пластичність.

Відпал для зняття напруження

Цей метод термообробки застосовують для зварних виробів, виливків, заготовок після обробки різанням і т. д. Усі перераховані вище вироби можуть характеризуватись наявністю залишкових напружень через неоднорідну пластичну деформацію та нерівномірне охолодження.

Відпал сталі для зняття внутрішнього напруження здійснюють при 160-700°C, після чого виріб повільно охолоджують. Різні вироби обробляють за різної температури. На вибір температурного режиму впливають марка сталі й те, яким способом обробляли раніше заготівлю. При цьому методі термічної обробки вдається провести часткову або повну релаксацію залишкових напружень.

Нормалізаційний відпал (нормалізація)

Цей різновид відпалу призначений для повної фазової перекристалізації, усуває крупнозернистість структури, отриманої в процесі прокатки, штампування, лиття та інших видів обробки металів тиском. При нормалізації заевтектоїдна сталь нагрівається до температури вище Acm, а доевтектоїдна – вище Ас₃.

Після витримки при цій температурі виконується прискорене охолодження повітря, яке забезпечує розпад аустеніту при нижчих температурах. Це підвищує дисперсність ферито-цементитної структури, що підвищує міцність та твердість сталі у порівнянні з відпаленою. Після нормалізаційного відпалу сталева продукція набуває підвищеної опірності крихкому руйнуванню.

Висновок

Необхідний вид термічної обробки (у тому числі відпалу) та його режими мають вибиратися залежно від низки параметрів:

• марки сталі;
• структури та комплексу механічних характеристик, які необхідно забезпечити для подальшої переробки чи кінцевого використання;
• обробки, яка передувала етапу термічного впливу тощо.

Температуру, тривалість витримки та швидкість охолодження при відпалі призначають, виходячи зі складу сплаву, форми та розмірів виробу. Від правильного вибору та суворого дотримання параметрів термообробки безпосередньо залежить якість та експлуатаційна стійкість кінцевого продукту.

Ми раді, що ви зацікавилися інформацією з нашого блогу. І даємо згоду на використання матеріалів для навчальних цілей або особистого користування.
Проте попереджаємо, що копіювання інформації для публічного розповсюдження – це порушення авторського права та інших прав інтелектуальної власності згідно з Бернською конвенцією та Законом України про авторське право №3792-XII.