Трудове навчання (технічні види праці). 8 клас. Лебедєв

§ 4. Види сталей за призначенням та хімічним складом

Чому сталі, які за зовнішнім виглядом, вагою, кольором ніби є однаковими, можуть суттєво відрізнятися за своїми властивостями та призначенням?

Чому сталевим різцем можна знімати стружку із заготовки зі сталі?

Ви дізнаєтесь

Про класифікацію сталей за призначенням. Як хімічний склад сталей впливає на їхні властивості та призначення?

Пригадайте

На які види поділяють тонколистовий метал залежно від товщини та виду покриття? На які дві групи поділяють дріт за його призначенням?

Причина в тому, що на властивості сталі впливають інші елементи — її складники.

Хімічний склад сталі змінюють за рахунок збільшення або зменшення концентрації вуглецю, а також додавання легувальних елементів. У результаті отримують сталь різних сортів із суттєво різними властивостями. Це дає змогу використовувати ці матеріали у будь-яких умовах: у спекотних пустелях та на холодній півночі, навіть у космічному просторі.

Сталей без домішок не існує. У складі вуглецевої сталі, крім заліза і вуглецю, є постійні домішки (марганець, кремній, сірка, фосфор, кисень, азот, водень) і випадкові домішки (хром, мідь, нікель тощо) (мал. 18). До речі, від того, наскільки під час виплавки сталі вдалося позбутися вмісту сірки (вона погіршує властивості сталі), залежить якість кінцевого продукту.

Мал. 18. Хімічний склад сталі

Отже, сталі класифікують за:

• призначенням;
• хімічним складом.

За призначенням розрізняють сталі конструкційні, інструментальні та спеціального призначення. Ознайомимося із властивостями конструкційних та інструментальних сталей.

Означення

Легована інструментальна сталь — це сталь, яка містить домішки інших металів для надання їй певних властивостей.

До конструкційних належать сталі, які застосовують у машинобудуванні та будівництві для виготовлення різних деталей, механізмів, конструкцій. Вони мають відповідні механічні, фізичні й хімічні властивості (мал. 19, а, б).

Мал. 19. Застосування конструкційних сталей для елементів споруд (а) та холодного штампування кузовних деталей транспортних засобів (б)

Інструментальні сталі за хімічним складом можуть належати до вуглецевих інструментальних сталей та легованих інструментальних сталей (у тому числі швидко різальних).

Перевага вуглецевих інструментальних сталей полягає в їх невеликій вартості і достатньо високій твердості порівняно з іншими інструментальними матеріалами. Їхні недоліки — низькі зносостійкість і теплостійкість (до 250 °С). У разі вищої температури твердість інструменту значно знижується і він втрачає свої різальні властивості. Із вуглецевих інструментальних сталей виготовляють молотки, зубила, кернери, напилки, ножівкові полотна та інші інструменти (мал. 20).

Мал. 20. Інструменти, що виготовляють з інструментальних вуглецевих сталей: а — молотки та зубила; б — напилки

Означення

Швидкорізальні інструментальні сталі — це високолеговані сталі, що мають значний вміст вольфраму (6-19 %), хрому (3-4,5 %), молібдену (3-6 %).

Як легувальні елементи найчастіше застосовують хром, нікель, вольфрам, молібден і ванадій, значно рідше — кобальт, титан, берилій та інші метали. Кожний із легувальних елементів надає сталі певних властивостей. Наприклад, хром підвищує міцність, твердість, зносостійкість сталі, але зменшує її пластичність. Нікель підвищує міцність, твердість і опір корозії. Вольфрам підвищує твердість. Теплостійкість таких сталей досягає 350 °С. Твердість легованої інструментальної сталі після термічної обробки дещо більша, ніж у вуглецевих інструментальних сталей. Інструменти з цих сталей можна використовувати для різання на помірних швидкостях (малих обертах інструменту чи заготовки). Із них виготовляють мітчики, плашки, свердла, розвертки та інші різальні інструменти (мал. 21).

Мал. 21. Застосування інструментальних легованих сталей для виготовлення свердел (а), плашок (б), розверток (в)

Окрім цього, леговані сталі застосовують для виробництва особливо міцних деталей і вузлів машин, наприклад, кулькових підшипників (мал. 22). Назви легованих сталей походять від назв легувальних елементів (хромисті, нікелеві, молібденові тощо).

Мал. 22. Кульковий підшипник виготовляють із легованих конструкційних сталей

У процесі різання під час нагрівання до високих температур (600-650 °С) такі сталі не втрачають своєї твердості й різальних властивостей. Швидкорізальна інструментальна сталь поєднує в собі високу теплостійкість з високою твердістю, зносостійкістю (за підвищених температур) і підвищеним опором пластичній деформації. Її застосовують для виготовлення верстатних різальних інструментів (різців, свердел, фрез, зенківок тощо) (мал. 23).

Мал. 23. Інструменти, що виготовляють із швидкорізальних інструментальних сталей: а — зенківки; б — токарний різець; в — дискова фреза

ПОГЛИБ СВОЇ ЗНАННЯ

Конструкційні сталі поділяють на декілька видів, кожен із яких поділяють на групи або категорії.

Сталі групи А

Мають певні чітко визначені (регламентовані) механічні властивості, а їх хімічний склад не регламентований. Ці сталі застосовують у конструкціях, вузли яких не піддають гарячій обробці — куванню, гарячому штампуванню, термічній обробці тощо. При цьому механічні властивості сталевого прокату зберігаються. До цієї групи належать указані нижче види сталей.

Будівельні — низьколеговані сталі, а також сталі звичайної якості, що добре зварюються.

Сталі для холодної штамповки — листовий прокат з низьковуглецевих марок сталі нормальної якості.

Автоматні — сталі, які застосовують для виробництва типових деталей, оброблюваних за допомогою верстатів-автоматів (болти, гвинти, шайби, гайки тощо). Для полегшення обробки в такі сталі додатково вводять сірку, свинець, телур і селен, завдяки чому отримують ламку коротку стружку і знижують тертя.

Цементовані — сталі з малим умістом вуглецю і деякі леговані сталі. Їх застосовують для виготовлення деталей, що зазнають динамічних навантажень і поверхневого зносу. Це дуже тверді сталі в зовнішньому шарі та пластичні всередині (як свіжий хліб із твердою хрусткою скоринкою зовні та м'якушем).

Сталі групи Б

Мають певний регламентований хімічний склад без гарантії механічних властивостей. Ці сталі застосовують у виробах, що піддаються термічній обробці, технологія якої залежить від хімічного складу сталей. Їхні кінцеві механічні властивості визначаються самою обробкою.

Сталі з середнім вмістом вуглецю та леговані за допомогою хрому, нікелю, молібдену, марганцю, хромисті сталі з бором. Їхні механічні властивості поліпшуються у процесі термообробки.

Високоміцні сталі, у яких за допомогою термообробки й особливого складу можна досягти подвійної межі міцності порівняно зі звичайними конструкційними аналогами.

Ресорно-пружинні сталі. Можуть тривалий час зберігати пружність, достатній опір втоми і руйнування. До них належать сталі, леговані хромом, бором, кремнієм, ванадієм і марганцем.

Сталі групи В

Мають чітко визначені механічні властивості і хімічний склад. Ці сталі застосовують для виготовлення зварних конструкцій. Їх зварюваність визначається хімічним складом, а механічні властивості поза зоною зварювання визначені в стані постачання. Такі сталі застосовують для виготовлення найвідповідальніших деталей.

Шарикопідшипникові сталі. Мають високу зносостійкість, міцність і витривалість, що досягається завдяки високому (до 1 %) вмісту вуглецю і додаванню хрому.

Корозійностійкі сталі. Мають високий вміст хрому, помірний вміст нікелю. Чим більший вміст хрому, тим вища стійкість до корозії. При цьому вміст вуглецю має бути мінімальним.

Зносостійкі сталі. Їх використовують у місцях абразивного тертя, ударів і високого тиску, наприклад, ківш екскаватора або гусениці трактора.

Цікаво знати

Перші доменні печі на території України з'явилися у 60-х роках XVIII ст. на Закарпатті. Упродовж 1773-1783 рр. будували доменні печі на Правобережному Поліссі. До появи доменних печей залізо виробляли в руднях. Рудня — це металургійне підприємство в Україні у XIV—XIX ст., на якому з руди отримували залізо. Вперше термін «рудня» трапляється у грамоті Володимира Ольгердовича 1390 р. Виникнення доменних мануфактур (заводів) було новим, високотехнологічним етапом розвитку чорної металургії України. Ці підприємства значно перевершували старі за обсягом виробництва металу, чисельністю робітників, мали досконалішу організацію праці, кращу технічну оснащеність (мал. 24, 25).

Мал. 24. Перша доменна піч на Донбасі (1872 р.)

Мал. 25. Зовнішній вигляд доменного виробництва (1886 р.)

За даними вчених, на сьогодні людство виплавило не менше 20 млрд тонн заліза і сталі, при цьому 14 млрд тонн цього металу «з'їдено» іржею і розсіяне в біосфері.

Ейфелеву вежу збудовано в 1889 р. Припускали, що її конструкційний матеріал (низьковуглецева конструкційна сталь) збереже свою міцність не довше 25 років. (Ейфель вважав, що вежа збереже міцність 40 років). Проте вежа стоїть у Парижі вже більше 100 років. І це тільки тому, що її раз на сім років покривають шаром фарби. На кожне фарбування башти йде 52 тонни фарби. Вартість фарби давно перевищила вартість самої споруди.

Чи добре засвоїли?

• 1. Як сталі поділяють за їхнім призначенням?
• 2. Як сталі поділяють за їхнім хімічним складом?
• 3. Для виготовлення яких інструментів призначені швидкорізальні сталі?

Поясніть

• 1. Чому з вуглецевих інструментальних сталей виготовляють тільки такі інструменти, як зубила, молотки, кернери та ножівкові полотна?
• 2. Чому саме швидкорізальні сталі використовують для виготовлення верстатних інструментів (інструментів для механізованої обробки металів)?