Условные обозначения химических элементов стали

Теплоёмкостью называется количество тепла (в больших калориях), необходимое для нагревания 1 кг массы вещества (металла) на один градус (1° С). Теплоёмкость стали изменяется в зависимости от содержания в стали тех или иных элементов.

Удельный вес — это вес единицы объёма тела (например, вес 1 м³ или 1 см³ стали). Удельный вес стали также изменяется в зависимости от состава стали, но в небольших пределах. Для расчётов в кузнечном производстве практический средний удельный вес стали можно принять равным 7,85 (вес 1 м³ стали будет равен 7,85 т).

Теплопроводность — это свойство передавать тепло от одной, более нагретой, частицы вещества к другой, менее нагретой, которая непосредственно с ней соприкасается. Например, если металлический пруток нагреть с одного конца, то тепло на другой, холодный, конец прутка будет распространяться посредством теплопроводности. Примером теплопроводности является также передача тепла с поверхности внутрь слитка при нагреве его в печи.

Из механических свойств стали наиболее важными являются:

1) прочность — способность стали сопротивляться разрушению под действием внешних сил; чем крепче сталь, тем большую нагрузку она выдерживает;

2) твёрдость — способность стали сопротивляться вдавливанию в неё посторонних тел; твёрдость стали определяется на специальных приборах (Бринелля, Роквелла и др.) вдавливанием в испытываемый образец стали твёрдого стального шарика или алмазного конуса: чем больше вдавливается шарик или конус в образец и чем больше лунка, остающаяся на образце, тем сталь мягче;

3) пластичность — способность стали изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил и сохранять её после прекращения действия этих сил;

4) вязкость — свойство стали изменять свою форму без разрушения при значительных ударных нагрузках;

5) ковкость — способность стали обрабатываться давлением — ковкой, волочением и т. п.;

6) упругость — способность стали изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил и восстанавливать её после прекращения действия этих сил.

К основным технологическим свойствам стали относятся:

1) свариваемость стали. При нагреве сталь постепенно размягчается, а при температуре 1300–1400° С становится тестообразной. Если два куска стали, нагретых до тестообразного состояния, сложить вместе и сжать под прессом или молотом, то они соединятся в одно целое или, как говорят, сварятся;

2) закаливаемость стали. Сталь, нагретая до температуры 750–900° (температура нагрева зависит от состава стали) и быстро охлаждённая в воде или масле, становится более твёрдой и хрупкой. Процесс, сопровождающийся изменением структуры (т. е. строения) стали, называется закалкой.

Чем больше в стали содержание углерода, тем лучше она закаливается. Сталь с содержанием углерода до 0,15 % не закаливается, и, наоборот, лучше закаливается сталь с содержанием углерода более 0,5 %. Отдельные элементы, входящие в состав стали, влияют на свойства её следующим образом.

Углерод (C). С увеличением в стали содержания углерода увеличиваются её твёрдость, прочность и закаливаемость, но понижаются ковкость и теплопроводность. Чем больше в стали углерода, тем медленнее её надо нагревать. Сталь с содержанием углерода до 1,4 % хорошо куётся и прокатывается.

Кремний (Si) повышает прочность и упругость стали, но понижает вязкость и свариваемость. В стали машиностроительных сортов кремния обычно содержится от 0,2 до 0,4 %. Заметного влияния на ковкость кремний не оказывает.

Марганец (Mn). В обычных сортах углеродистых сталей марганца содержится от 0,2 до 1 %, а в специальных сортах до 14 %. Марганец повышает сопротивляемость удару, прочность, уменьшает истирание, понижает вредное влияние серы. С увеличением содержания марганца понижаются теплопроводность и свариваемость. Марганец способствует перегреву стали и появлению трещин. Чем больше в стали марганца, тем медленнее её нужно греть; чтобы избежать перегрева и пережога марганцовой стали, необходимо тщательно следить за температурой нагрева и выдержкой при высоких температурах. Правильно нагретые заготовки или слитки из марганцовой стали куются хорошо.

Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость и прочность стали. Никель не влияет на ковкость стали, но при нагреве никелевых сталей образуется окалина, которая прочно удерживается на поверхности заготовки. Окалина может заковываться в деталь и тем самым понижать её механические качества.

Хром (Cr) повышает твёрдость, прочность и упругость стали, но понижает вязкость и теплопроводность. При ковке литого слитка структура хромистой стали плохо поддаётся разрушению. Для получения в поковке мелкозернистой структуры нужна большая проковка при высокой температуре. Хромистая сталь при температуре 1150–850° С куётся удовлетворительно, а при низких температурах (ниже 850° С) твёрдость поверхности её резко возрастает, отчего могут появляться трещины.

Молибден (Mo) добавляется в сталь вместе с никелем и хромом. В сталях различных марок молибдена содержится до 0,45 % и редко до 1 %. В сплаве с хромом и никелем молибден повышает прочность и вязкость стали, но понижает теплопроводность. Чем больше в стали молибдена, тем медленнее её надо греть, так как наличие молибдена сильно повышает чувствительность стали к перегреву. Молибденовые стали требуют интенсивной проковки на более мощных прессах или молотах, чем прессы и молоты, на которых куются углеродистые стали. Охлаждать поковки из молибденовой стали нужно медленно, строго по технологическому процессу, так как молибденовая сталь принимает воздушную закалку и предрасположена к образованию трещин.

Ванадий (V). В сталях, применяемых в машиностроении, ванадия обычно содержится до 0,3 % и редко до 1 %. Ванадий повышает прочность и упругость стали, способствует образованию мелкозернистой структуры слитков. Содержание ванадия в стали улучшает её ковкость и препятствует перегреву.

Вольфрам (W) повышает твёрдость и прочность стали, незначительно понижает вязкость и уменьшает теплопроводность. Ковка вольфрамовой стали при низких температурах вызывает трещины. Вольфрамовые стали нужно греть медленнее, чем углеродистые, а ковать при более высоких температурах.

Сера (S) — вредная примесь в стали, но в то же время является таким элементом, который переходит в сталь при её плавке. Серы в стали должно быть как можно меньше. В сталях, применяемых для изготовления особо ответственных деталей, содержание серы не должно превышать 0,02–0,03 %, а в обычных сталях 0,045–0,055 %. Повышенный процент серы в стали приводит к красноломкости. Если такую сталь нагреть до красного каления, то она становится хрупкой, во время ковки даёт трещины и разрушения. При обычной температуре сера, содержащаяся в стали, понижает её прочность.

Фосфор (P). В отличие от серы фосфор сообщает стали холодноломкость, т. е. вызывает хрупкость при комнатной температуре. Фосфора в сталях, из которых изготовляются ответственные детали, не должно быть больше 0,03–0,04 %. Чем больше сталь содержит углерода, тем больше может быть фосфора. Холодноломкость стали часто обнаруживается при правке и гибке изделий во время морозов в неотапливаемом помещении.