Staal: definitie, classificatie, chemische samenstelling en toepassing

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 05:37

Hoe vaak horen we het woord "staal". En het wordt niet alleen uitgesproken door professionals op het gebied van metallurgische productie, maar ook door de stedelingen. Geen enkele sterke constructie is compleet zonder staal. Als we het hebben over iets van metaal, bedoelen we eigenlijk een product van staal. Laten we eens kijken waar het uit bestaat en hoe het is geclassificeerd.

Definitie

Staal is misschien wel de meest populaire legering, die is gebaseerd op ijzer en koolstof. Bovendien varieert het aandeel van de laatste van 0,1 tot 2,14%, terwijl de eerste niet lager kan zijn dan 45%. Productiegemak en beschikbaarheid van grondstoffen zijn van doorslaggevend belang bij de distributie van dit metaal naar alle gebieden van menselijke activiteit.

De belangrijkste kenmerken van het materiaal variëren afhankelijk van de chemische samenstelling. De definitie van staal als een legering die bestaat uit twee componenten, ijzer en koolstof, kan niet volledig worden genoemd. Het kan bijvoorbeeld chroom bevatten voor hittebestendigheid en nikkel voor corrosiebestendigheid.

Vereiste componentenmaterialen bieden extra voordelen. Dus ijzer maakt de legering kneedbaar en gemakkelijk vervormbaar onder bepaalde omstandigheden, en koolstof maakt sterkte en hardheid tegelijk met broosheid. Daarom is zijn aandeel in de totale staalmassa zo klein. Bepaling van de productiemethode van de legering leidde tot het geh alte aan mangaan in de hoeveelheid van 1% en silicium - 0,4%. Er zijn een aantal onzuiverheden die verschijnen tijdens het smelten van het metaal en die ze proberen te verwijderen. Samen met fosfor en zwavel verslechteren ook zuurstof en stikstof de eigenschappen van het materiaal, waardoor het minder duurzaam wordt en de taaiheid verandert.

Classificatie

De definitie van staal als een metaal met een bepaald aantal kenmerken staat natuurlijk buiten kijf. Het is echter juist de samenstelling die het mogelijk maakt om het materiaal in meerdere richtingen te classificeren. Zo onderscheiden metalen zich bijvoorbeeld door de volgende kenmerken:

• op chemisch;
• structureel;
• op kwaliteit;
• zoals bedoeld;
• volgens de mate van deoxidatie;
• door hardheid;
• op lasbaarheid van staal.

Staaldefinitie, markering en al zijn kenmerken worden hieronder beschreven.

Markering

Helaas is er geen wereldwijde staalaanduiding, wat de handel tussen landen enorm bemoeilijkt. In Rusland is een alfanumeriek systeem gedefinieerd. De letters geven de naam van de elementen en de methode van deoxidatie aan, en de cijfers geven hun aantal aan.

Chemische samenstelling

Er zijn twee manierenverdeling van staal door chemische samenstelling. De definitie die in moderne leerboeken wordt gegeven, maakt het mogelijk onderscheid te maken tussen koolstof en gelegeerd materiaal.

Het eerste kenmerk definieert staal als koolstofarm, medium-carbon en high-carbon, en het tweede - laaggelegeerd, mediumgelegeerd en hooggelegeerd. Er wordt een koolstofarm metaal genoemd, dat volgens GOST 3080-2005 naast ijzer de volgende componenten kan bevatten:

• Koolstof - tot 0,2%. Het bevordert de thermische versteviging, waardoor de treksterkte en hardheid worden verdubbeld.
• Mangaan in een hoeveelheid tot 0,8% gaat actief een chemische binding aan met zuurstof en voorkomt de vorming van ijzeroxide. Het metaal is beter bestand tegen dynamische belastingen en is beter vatbaar voor thermische uitharding.
• Silicium – tot 0,35%. Het verbetert mechanische eigenschappen zoals taaiheid, sterkte, lasbaarheid.

Volgens GOST wordt de definitie van staal als koolstofarm staal gegeven aan een metaal dat, naast nuttige, een aantal schadelijke onzuiverheden in de volgende hoeveelheid bevat. Dit is:

• Fosfor - tot 0,08% is verantwoordelijk voor het verschijnen van koude broosheid, schaadt het uithoudingsvermogen en de kracht. Vermindert de taaiheid van het metaal.
• Zwavel - tot 0,06%. Het bemoeilijkt de verwerking van metaal door druk, verhoogt de broosheid van het humeur.
• Stikstof. Vermindert de technologische en sterkte-eigenschappen van de legering.
• Zuurstof. Vermindert kracht en interfereert met snijgereedschap.

Opgemerkt moet worden dat lage ofkoolstofarme staalsoorten zijn bijzonder zacht en ductiel. Ze vervormen goed, zowel warm als koud.

De definitie van middelgroot koolstofstaal en de samenstelling ervan is natuurlijk anders dan het hierboven beschreven materiaal. En het grootste verschil is de hoeveelheid koolstof, die varieert van 0,2 tot 0,45%. Een dergelijk metaal heeft een lage taaiheid en vervormbaarheid samen met uitstekende sterkte-eigenschappen. Medium koolstofstaal wordt vaak gebruikt voor onderdelen die onder normale stroombelasting worden gebruikt.

Als het koolstofgeh alte hoger is dan 0,5%, wordt dergelijk staal koolstofstaal genoemd. Het heeft een verhoogde hardheid, verminderde viscositeit, ductiliteit en wordt gebruikt voor het stempelen van gereedschappen en onderdelen door warme en koude vervorming.

Naast het identificeren van de koolstof die in het staal aanwezig is, is de bepaling van de eigenschappen van het materiaal mogelijk door de aanwezigheid van extra onzuiverheden erin. Als, naast gewone elementen, chroom, nikkel, koper, vanadium, titanium en stikstof in een chemisch gebonden toestand doelbewust in het metaal worden geïntroduceerd, wordt dit gedoteerd genoemd. Dergelijke additieven verminderen het risico op brosse breuk, verhogen de corrosieweerstand en sterkte. Hun aantal geeft de mate van legering van staal aan:

• laaggelegeerd - bevat tot 2,5% legeringsadditieven;
• medium gelegeerd - van 2,5 tot 10%;
• hooggelegeerd - tot 50%.

Wat betekent dit? De toename van eigendommen begon bijvoorbeeld als volgt te worden verstrekt:

1. Chroom toevoegen. positiefbeïnvloedt de mechanische eigenschappen al in de hoeveelheid van 2% van het totaal.
2. De introductie van nikkel van 1 tot 5% verhoogt de temperatuurmarge van viscositeit. En vermindert koude broosheid.
3. Mangaan werkt op dezelfde manier als nikkel, hoewel veel goedkoper. Het helpt echter om de gevoeligheid van het metaal voor oververhitting te vergroten.
4. Tungsten is een carbide-vormend additief dat zorgt voor een hoge hardheid. Omdat het graangroei voorkomt bij verhitting.
5. Molybdeen is een duur additief. Wat de hittebestendigheid van hogesnelheidsstaalsoorten verhoogt.
6. Silicium. Verhoogt zuurbestendigheid, elasticiteit, kalkweerstand.
7. Titanium. Kan de fijne korrelstructuur bevorderen in combinatie met chroom en mangaan.
8. Koper. Verhoogt de anticorrosieve eigenschappen.
9. Aluminium. Verhoogt hittebestendigheid, schilfering, taaiheid.

Structuur

Het bepalen van de samenstelling van staal zou onvolledig zijn zonder de structuur ervan te bestuderen. Dit teken is echter niet constant en kan afhankelijk zijn van een aantal factoren, zoals: warmtebehandelingsmodus, afkoelsnelheid, mate van legering. Volgens de regels moet de staalconstructie worden bepaald na gloeien of normaliseren. Na het gloeien wordt het metaal verdeeld in:

• pro-eutectoide structuur - met overtollig ferriet;
• eutectoide, dat uit perliet bestaat;
• hypereutectoid - met secundaire carbiden;
• ledeburite - met primaire carbiden;
• austenitisch - met een kristalrooster in het midden van het gezicht;
• ferritisch - met een kubusvormig, op het lichaam gecentreerd rooster.

Het bepalen van de staalklasse is mogelijk na normalisatie. Het wordt opgevat als een soort warmtebehandeling, die verwarmen, vasthouden en vervolgens afkoelen omvat. Hier worden perliet, austenitische en ferritische kwaliteiten onderscheiden.

Kwaliteit

Typen bepalen is op vier manieren mogelijk geworden qua kwaliteit. Dit is:

1. Gewone kwaliteit - dit zijn staalsoorten met een koolstofgeh alte tot 0,6%, die worden gesmolten in open haardovens of in convertors met zuurstof. Ze worden als de goedkoopste beschouwd en zijn inferieur in eigenschappen aan metalen van andere groepen. Een voorbeeld van dergelijke staalsoorten zijn St0, St3sp, St5kp.
2. Kwaliteit. Prominente vertegenwoordigers van dit type zijn de staalsoorten St08kp, St10ps, St20. Ze worden gesmolten met dezelfde ovens, maar met hogere eisen voor de laad- en productieprocessen.
3. Hoogwaardig staal wordt gesmolten in elektrische ovens, wat een verhoging van de zuiverheid van het materiaal voor niet-metalen insluitsels garandeert, dat wil zeggen een verbetering van de mechanische eigenschappen. Deze materialen omvatten St20A, St15X2MA.
4. Vooral van hoge kwaliteit - zijn gemaakt volgens de methode van speciale metallurgie. Ze worden onderworpen aan elektroslak-omsmelting, wat zorgt voor zuivering van sulfiden en oxiden. Staalsoorten van dit type omvatten St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Structuurstaal

Dit is misschien wel het meest eenvoudige en begrijpelijke teken voor de leek. Er zijn constructie-, gereedschaps- en speciale staalsoorten. Structureel wordt meestal onderverdeeld in:

1. Constructiestaal is koolstofstaal van gewone kwaliteit en vertegenwoordigers van de laaggelegeerde serie. Ze zijn onderworpen aan verschillende eisen, waarvan de lasbaarheid op een voldoende hoog niveau de belangrijkste is. Een voorbeeld is StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Gecementeerde materialen worden gebruikt om producten te maken die werken onder omstandigheden van oppervlakteslijtage en tegelijkertijd dynamische belastingen ondergaan. Deze omvatten koolstofarme staalsoorten St15, St20, St25 en enkele gelegeerde: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGR, St30KhGT.
3. Voor cold stamping worden opgerolde bladeren van hoogwaardige koolstofarme monsters gebruikt. Zoals St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Behandelbare staalsoorten die worden verbeterd door het afschrik- en hoge temperingproces. Dit zijn medium-koolstof (St35, St40, St45, St50), chroom (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) staalsoorten, evenals chroom-silicium-mangaan, chroom-nikkel-molybdeen en chroom-nikkel.
5. Veerveren hebben elastische eigenschappen en houden ze lang vast, omdat ze een hoge mate van weerstand hebben tegen vermoeidheid en vernietiging. Dit zijn koolstofvertegenwoordigers van St65, St70 en gelegeerde staalsoorten (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
6. Hoge sterkte monsters zijn monsters die twee keer zo sterk zijn als andere constructiestaalsoorten, bereikt door warmtebehandeling en chemische samenstelling. In de bulk zijn dit gelegeerde koolstofstaalsoorten, bijvoorbeeld St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Kogellagerstaalsoorten worden gekenmerkt door een bijzonder uithoudingsvermogen, een hoge mate van slijtvastheid en sterkte. Ze moeten voldoen aan de vereisten voor de afwezigheid van verschillende soorten insluitsels. Deze monsters zijn onder meer koolstofstaal met een chroomgeh alte in de samenstelling (StSHKh9, StSHKh15).
8. Automatische staaldefinities zijn als volgt. Dit zijn monsters voor gebruik bij de vervaardiging van niet-kritieke producten zoals bouten, moeren, schroeven. Dergelijke reserveonderdelen worden meestal machinaal bewerkt. Daarom is de belangrijkste taak om de bewerkbaarheid van onderdelen te vergroten, wat wordt bereikt door tellurium, selenium, zwavel en lood in het materiaal te brengen. Dergelijke additieven dragen bij aan de vorming van brosse en korte spanen tijdens de bewerking en verminderen wrijving. De belangrijkste vertegenwoordigers van automatisch staal worden als volgt aangeduid: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Corrosiebestendig staal is gelegeerd staal met een chroomgeh alte van ongeveer 12%, omdat het een oxidefilm op het oppervlak vormt die corrosie voorkomt. Vertegenwoordigers van deze legeringen zijn St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Slijtvaste monsters worden gebruikt in producten die werken onder schurende wrijving, schokken en sterke druk. Een voorbeeld zijn de onderdelen van spoorrails, brekers en rupsmachines, zoals St110G13L.
11. Hittebestendig staal kan bij hoge temperaturen werken. Ze worden gebruikt bij de vervaardiging van buizen, reserveonderdelen voor gas- en stoomturbines. Dit zijn voornamelijk hooggelegeerde koolstofarme monsters, die noodzakelijkerwijs nikkel bevatten, dat additieven in de vorm kan bevattenmolybdeen, nobium, titanium, wolfraam, boor. Een voorbeeld is St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Hittebestendig zijn bijzonder goed bestand tegen chemische schade in lucht, gas en ovens, oxiderende en carburerende omgevingen, maar vertonen kruip onder zware belasting. Vertegenwoordigers van dit type zijn St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Gereedschapsstaal

In deze groep worden legeringen onderverdeeld in matrijs, snij- en meetgereedschap. Er zijn twee soorten matrijsstaal.

• Het materiaal voor koudvervormen moet een hoge mate van hardheid, sterkte, slijtvastheid, hittebestendigheid hebben. Maar hebben voldoende viscositeit (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Het warmvormende materiaal heeft een goede sterkte en taaiheid. Samen met slijtvastheid en schaalweerstand (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Het meten van gereedschapsstaal moet, naast slijtvastheid en hardheid, maatvast en gemakkelijk te slijpen zijn. Kalibers, nietjes, sjablonen, linialen, schalen, tegels zijn gemaakt van deze legeringen. Een voorbeeld zijn legeringen StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Het bepalen van staalgroepen voor snijgereedschappen is vrij eenvoudig. Dergelijke legeringen moeten langdurig kunnen snijden en een hoge hardheid hebben, zelfs wanneer ze worden blootgesteld aan hitte. Deze omvatten koolstof- en legeringsgereedschap, evenals:hogesnelheidsstaalsoorten. Hier kunt u de volgende prominente vertegenwoordigers noemen: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Deoxidatie van de legering

Bepaling van staal door de mate van deoxidatie omvat drie soorten: kalm, semi-kalm en kokend. Het concept zelf verwijst naar de verwijdering van zuurstof uit de vloeibare legering.

Stil staal stoot bijna geen gassen uit tijdens het stollen. Dit komt door de volledige verwijdering van zuurstof en de vorming van een krimpholte bovenop de ingot, die vervolgens wordt afgesneden.

In semi-rustig staal komen gassen gedeeltelijk vrij, dat wil zeggen meer dan in kalm staal, maar minder dan in kokend staal. Er is hier geen schil, zoals in het vorige geval, maar er vormen zich bovenaan luchtbellen.

Kokende legeringen geven een grote hoeveelheid gas af wanneer ze stollen, en in dwarsdoorsnede is het voldoende om eenvoudig het verschil in chemische samenstelling tussen de bovenste en onderste lagen op te merken.

Hardheid

Dit concept verwijst naar het vermogen van een materiaal om een hardere penetratie erin te weerstaan. Hardheidsbepaling werd mogelijk met behulp van drie methoden: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Volgens de Brinell-methode wordt een gehard stalen kogel in het grondoppervlak van het monster gedrukt. Bepaal de hardheid door de diameter van de afdruk te bestuderen.

Methode voor het bepalen van de hardheid van staal volgens Rockwell. Het is gebaseerd op het berekenen van de penetratiediepte van een 120 graden diamanten kegelpunt.

Volgens Vickers in het testexemplaareen diamanten tetraëdrische piramide wordt ingedrukt. Met een hoek van 136 graden op tegenoverliggende vlakken.

Is het mogelijk om de staalsoort te bepalen zonder chemische analyse? Specialisten op het gebied van metallurgie kunnen de staalsoort herkennen aan een vonk. De bepaling van de bestanddelen van het metaal is mogelijk tijdens de verwerking ervan. Dus bijvoorbeeld:

• CVG-staal heeft donkere karmozijnrode vonken met geelrode stippen en plukjes. Aan de uiteinden van de vertakte draden verschijnen heldere rode sterren met gele korrels in het midden.
• P18-staal wordt ook geïdentificeerd door donkere karmozijnrode vonken met gele en rode plukjes aan het begin, maar de draden zijn recht en hebben geen vorken. Aan de uiteinden van de bundels zitten vonken met een of twee lichtgele korrels.
• Staalsoorten ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 hebben gele vonken met lichte sterren. En rode korrels op de takken.
• U12F staal onderscheidt zich door lichtgele vonken met dichte en grote sterren. Met verschillende rode en gele plukjes.
• Staal 15 en 20 hebben lichtgele vonken, veel vorken en sterren. Maar weinig plukjes.

Bepaling van staal door een vonk is een redelijk nauwkeurige methode voor specialisten. Gewone mensen kunnen het metaal echter niet karakteriseren door alleen de kleur van de vonk te onderzoeken.

Lasbaarheid

De eigenschap van metalen om onder een bepaalde impact een verbinding te vormen, wordt de lasbaarheid van staal genoemd. De bepaling van deze indicator is mogelijk nadat het geh alte aan ijzer en koolstof is gedetecteerd.

Er wordt aangenomen dat ze goed verbonden zijn door lassenkoolstofarme staalsoorten. Wanneer het koolstofgeh alte hoger is dan 0,45%, verslechtert de lasbaarheid en wordt erger wanneer het koolstofgeh alte hoog is. Dit gebeurt ook omdat de inhomogeniteit van het materiaal toeneemt en sulfide-insluitingen opvallen aan de korrelgrenzen, wat leidt tot de vorming van scheuren en een toename van interne spanning.

Legering van componenten werkt ook, waardoor de verbinding verslechtert. De meest ongunstige voor het lassen zijn chemische elementen als chroom, molybdeen, mangaan, silicium, vanadium, fosfor.

Naleving van de technologie bij het werken met laaggelegeerde staalsoorten zorgt echter voor een goed percentage lasbaarheid zonder het gebruik van speciale maatregelen. Bepaling van de lasbaarheid is mogelijk na beoordeling van een aantal belangrijke materiaalkwaliteiten, waaronder:

• Koelsnelheid.
• Chemische samenstelling.
• Aanzicht van primaire kristallisatie en structurele veranderingen tijdens het lassen.
• Het vermogen van metaal om scheuren te vormen.
• Niging van materiaal om te verharden.