III. ПО СТРУКТУРЕ
IV. ПО КАЧЕСТВУ
V. ПО ПРОЧНОСТИ
VI. ПО НАЗВАНИЮ
VII. ПО ВИДУ ОБРАБОТКИ
VIII. ПО СПОСОБУ ПРОИЗВОДСТВА
X. НОРМАТИВЫ
XI. ИСТОЧНИКИ
I. Классификация сталей
Сталь отличается от чистого железа и других металлов, ведь в составе есть углерод, который придает прочность и твердость. В статье подробно разберем классы и виды стали, чем они отличаются, где и как их используют, откуда берут свое название.
II. По химическому составу
Рассмотрим два типа структур.
Углеродистые стали
Содержание углерода варьируется от 0,05% до 2,0%, что влияет на следующие характеристики:
- Прочность: чем больше углерода в составе, тем прочнее материал.
- Твердость: чем больше углерода, тем выше твердость. Однако следует помнить, что слишком высокое содержание приводит к повышенной хрупкости материала.
- Пластичность и ударная вязкость: углеродистая сталь пластична и поглощает энергию удара.
Находит применение в различных отраслях, включая строительство, автомобилестроение, машиностроение и многое другое. Она является важным материалом, который обеспечивает надежность во многих конструкциях и изделиях, от зданий и мостов до автомобилей и механизмов.
По содержанию углерода стали делятся на:
- Низкоуглеродистые. Не очень прочные, зато пластичные. Из таких создают шайбы и прокладки, потому что им не требуется термическая обработка, а механическая нагрузка на детали низкая или вовсе отсутствует. Пример марок: 05кп, 08, 10, 10пс.
- Среднеуглеродистые. Их уже нужно обработать, закалить, сделать отпуск или иную термическую обработку, чтобы нормализировать. Примеры марок: 35, 40, 45.
- Высокоуглеродистые. Содержат от 0,6% до 2% углерода. У них высокая прочность, но и хрупкость выше, чем у других, поэтому их применение ограничено. Они плохо свариваются, но зато прекрасно подходят там, где этого не требуется, например из них делают пружины, рессоры, прокатные валы. Примеры марок: 60, 65, 70, 75.
Углеродистые стали имеют ряд преимуществ, включая низкую стоимость и хорошую обработку. Однако из-за ограниченной закаливаемости и термической обработки они не обеспечивают необходимый набор механических свойств, поэтому их обычно используют для деталей с сечением менее 20 мм.
По степени раскисления:
- Полуспокойная. В этой степени раскисления содержание кислорода снижается до уровня около 0,02-0,06%. Окислы кремния, марганца и алюминия образуются в металлическом состоянии и находятся в виде включений. Полуспокойное раскисление обеспечивает хорошую степень очистки стали от кислорода и других примесей, но могут оставаться некоторые окислы.
- Спокойная. Содержание кислорода снижается до уровня около 0,008—0,025%. Окислы кремния, марганца и алюминия также присутствуют в виде включений, но их количество значительно снижается по сравнению с полуспокойной степенью.
- Кипящая. Кислорода в составе почти нет, диапазон 0,002—0,008%. Включения окислов кремния, марганца и алюминия отсутствуют или присутствуют в очень небольшом количестве. Это наивысшая степень очистки стали от кислорода и примесей.
Классификация степеней раскисления важна, поскольку она позволяет контролировать уровень чистоты и качества конечного продукта в зависимости от его предназначения и требований.
Легированные стали
Легированные отличаются от обычных тем, что в их состав добавлены специальные элементы. Классификация осуществляется на основе содержания различных добавок.
По содержанию добавок:
- Низколегированные. Содержат небольшие количества легирующих элементов, обычно менее 5% по массе. Эти элементы могут включать хром, молибден, никель, ванадий и другие. Имеют улучшенные свойства по сравнению с обычными углеродистыми.
- Среднелегированные. Содержат умеренное количество легирующих элементов, обычно от 5% до 10% по массе. Подходят для специальных применений. Примеры использования: авиация или специализированные инженерных конструкции.
- Высоколегированные. Содержат значительное количество легирующих элементов, обычно более 10% по массе. Примерами высоколегированных сталей являются нержавеющие, термоустойчивые или специальные для производства инструментов или лезвий.
По составу и конкретным добавкам:
- Хромовые. содержат хром как основной легирующий элемент. Добавление хрома улучшает их устойчивость к коррозии и окислению, а также придает им повышенную твердость и прочность. Применяются в производстве инструментов, подшипников, а также в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
- Никелевые. содержат никель в качестве основного легирующего элемента. Никель делает металл подходящим для использования в экстремальных условиях, включая высокие и низкие температуры. Используют в судостроении, нефтегазовой промышленности, химической промышленности и в производстве электроники.
- Молибденовые. содержат молибден в качестве основного легирующего элемента. Молибден обладает высокой температурной стойкостью. Встречаются в производстве лопастей турбин, высокотемпературных реакторов и оборудования для нефтепереработки.
- Вольфрамовые. вольфрам придает стали высокую твердость, прочность и устойчивость к высоким температурам. Применяются в производстве инструментов, сварочных электродов, оборудования для горнодобывающей промышленности и в других приложениях, где требуется высокая твердость и стойкость к износу.
Каждый тип легированных сталей имеет свои особенности и применения, и выбор конкретного типа зависит от требований проекта и желаемых свойств материала.
III. По структуре
Существует несколько различных типов кристаллических структур. Давайте рассмотрим основные типы структур:
- Ферритная. Характеризуется преобладанием атомов железа. Отличается мягкостью, пластичностью и устойчивостью к коррозии, поэтому используется в атмосферных условиях. Но прочность оставляет желать лучшего.
- Перлитная. Образуется при охлаждении и превращении аустенита. Представляет собой смесь двух фаз: мелкозернистой ферритной матрицы и цементита (углеродного соединения с железом). Стали с перлитной структурой используются в строительстве и автомобильной промышленности.
- Мартенситная. Образуется, когда нагретую сталь быстро охлаждают в воде или масле — во время этого аустенит превращается в мартенсит. В мартенситной структуре атомы становятся упорядоченными. Эта структура используется в производстве ножей, зубчатых колес, пружин.
- Аустенитная. Получила название от аустенитной фазы, которая является стабильной структурой в данном материале. Аустенитная сталь пластичная, коррозионностойкая и отлично поддается обработке. Применяется в химической промышленности, энергетике и медицине и работает при высоких температурах.
- Сталь смешанных типов — это аустенитно-ферритные, перлитно-ферритные и другие виды, которые объединяют несколько структур.
IV. По качеству
Качество углеродистых сталей определяется содержанием вредных примесей: фосфора и серы, которые придают металлу хладноломкость и красноломкость.
- Обыкновенного качества. Сталь обыкновенного качества, также известная как неконструкционная или углеродистая, обладает базовыми механическими свойствами и не содержит значительного количества легирующих элементов. Сера и фосфор в составе занимают 0,6% и 0,7% соответственно.
- Качественные. В отличие от обыкновенных, качественные содержат легирующие элементы, которые улучшают их свойства. Фосфор и сера составляют по 0,035%. Примеры качественных сталей: инструментальные, легированные, короззионостойкие, высокопрочные, структурные сплавы.
- Высококачественные. Фосфор и сера в высококачественных сталях содержатся на уровне до 0,025%. Маркируются буквой А в конце марки. Низкое содержание фосфора способствует улучшению свариваемости, ударной вязкости и общей прочности стали, а серы — уменьшению вероятности образования дефектов, таких как поры и трещины, а также повышению коррозионной стойкости и свариваемости.
- Особовысококачественные. В особовысококачественных содержание фосфора и серы до 0,015% каждого, доходит даже до 0,010%. В маркировке обозначается буквой Ш в конце. Для получения такого сплава используются электродуговые и индукционные печи и специальные методы выплавки.
V. По прочности
Для каждого вида сталей (легированная и нелегированная, инструментальная и конструкционная и т.д.) своя классификация по прочности. Вкратце опишем, в чем разница между классами и дадим примерные цифры.
- Обычной. Имеет прочность примерно до 400 МПа. Это самый распространенный тип стали, который используется во многих общих применениях, таких как строительство, автомобильная промышленность и производство бытовых товаров.
- Повышенной. Имеет прочность в диапазоне от 400 до 1000 МПа. Используются в более требовательных инженерных и конструкционных проектах.
- Высокой. Сталь с пределом прочности не ниже 1000 МПа. Выше уже можно считать сверхвысокопрочной. В основном используется в областях, где другие материалы оказались ненадежными из-за механических нагрузок или химического состава окружающей среды. Она находит широкое применение в различных отраслях, включая химическую и металлургическую промышленности, строительство, добывающую промышленность и обработку сточных вод. Особенно рекомендуется для работы с абразивными жидкостями.
VI. По назначению
Инструментальные
Содержат углерод и лигатуры. Из них делают режущие инструменты, формы, штампы и другие инструменты. Создают металл с помощью отжига, который уменьшает твердость и создает оптимальную структуру для последующей обработки. При необходимости проводят отпуск и закалку при разных температурах, таким способом металл приобретает нужные свойства.
- Углеродистые инструментальные. Диапазон углерода от 0,65% до 1,35%. Несколько примеров: стали марки Х3 и Х4А тверды и хорошо шлифуются, а Х5—Х8 еще тверже и используются для создания сверл, резцов и фрез. Х9 — максимально твердая, из неё делают напильники и граверы. Недостатки — ограниченная способность проникновения закалки (глубины закалки) и невысокая теплостойкость.
- Легированные инструментальные. Углерод в таких сталях держится на уровне от 0,9% до 1,4%, много процентов уходит в составе на легирующие элементы: хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний и другие. В сумме лигатур в составе не больше 5%.
Конструкционные
Применяются в сфере строительства и машиностроения. Подклассы определяются ее механическими свойствами, такими как прочность на разрыв, ударопрочность и устойчивость к коррозии. Используется для создания зданий, мостов, автомобилей, железнодорожных составов и других конструкций.
- Цементируемые. Цементация — процесс, когда поверхностный слой металла укрепляется углеродом. Для цементации используют стали с содержанием углерода до 0,25%, чтобы сформировать вязкую сердцевину. Чем больше углерода, тем крепче сердцевина, но ниже вязкость. Для таких деталей проводят процессы цианирования и нитроцементации.
- Улучшаемые. Термическому улучшению подвергаются стали с углеродом в диапазоне от 0,30% до 0,50%. Так как детали должны быть прочными, твердыми и служить долго без перебоев и угроз безопасности, то термическое улучшение необходимо, но технологии могут применять только к деталям с небольшим сечением. Это обусловлено тем, что не все заготовки могут выдержать высокую температуру закалки.
Специальные
Специальные стали — металлы с ярко выраженными свойствами: антикоррозионными, магнитными и т.д. Сразу разберем несколько видов.
- Нержавеющие. Нержавейка — металл с уникальным сопротивлением коррозии и окислению. Она незаменима во множестве промышленных и бытовых областей, где требуется долговечность и сохранение эстетического вида. Противостояние коррозии определяется составом и кристаллической структурой. В состав нержавейки входят хром, никель, молибден и титан. Хром формирует пассивную оксидную пленку на поверхности, предотвращая взаимодействие с окружающей средой и защищая от коррозии. Существует несколько классов нержавейки. Эти классы включают мартенситную, ферритно-мартенситную, аустенитную и дуплексную нержавеющую сталь. Многообразие классов позволяет выбрать подходящий материал в зависимости от требований к механическим свойствам, коррозионной устойчивости, теплопроводности и другим параметрам. Благодаря своим выдающимся характеристикам, нержавейка незаменима в промышленности и повседневной жизни.
- Магнитные. Содержат специальные добавки: железо, никель и кобальт придают им магнитные свойства. Они легко намагничиваются и размагничиваются, поэтому их используют в электротехнике и электронике, например в трансформаторах, индукторах и электромагнитах.
- Немагнитные. Полная противоположность предыдущим. У них низкая магнитная проницаемость, то есть они почти не магнитятся или не притягиваются вовсе. Зато у них высокая электрическая проводимость и химическая стабильность. Применяются в высокоточных электрических приборах, чтобы магнитные поля не искажали данные и не создавали помех.
- Электротехнические. Их основа — сплав железа с кремнием, иногда в составе есть алюминий. Используются в трансформаторах, генераторах, электродвигателях и других электрических устройствах. Электротехническая сталь хорошо удерживает магнитные поля и проводит электричество. Производится в виде листов толщиной 0,5—1 мм.
- Высокопрочные. Про них мы уже говорили, это металл с пределом прочность от 1000 МПа, в среднем — от 1500 МПа. К высокопрочным относятся конструкционные, инструментальные, строительные, судостроительные.
- Износостойкие. Обладают повышенной стойкостью к абразивному износу, ударам, трению и другим механическим нагрузкам. Показатель износостойкости может быть измерен, например, в миллиметрах потери толщины при испытании на абразивный износ.
- Теплоустойчивые. По ГОСТ 20072-74 теплоустойчивая сталь предназначена для деталей, которые будут работать в нагруженном состоянии при температуре 600°С. Примеры: 12МХ, 12Х1МФ, 12Х1М1Ф1ТР. В состав входит множество легирующих элементов в разном процентном соотношении.
- Жаростойкие. Устойчивы к коррозии в газовой среде с температурой более 550°С, при этом работают без нагрузки или со слабой нагрузкой. При высоких температурах сталь начинает окисляться. Чтобы этого не произошло, металл легируется хромом или кремнием, которые изменяют строение окалины и образуют защитную оксидную пленку.
- Жаропрочные. Жаропрочные похожи на предыдущие, но их отличительная особенность — работать без деформации под напряжением при температуре от 600°С или на 0,3 части от температуры плавления. Оценивают жаропрочность по ползучести и длительной прочности.
- Криогенные. Предназначены для работы в экстремально низких температурах, до -196°С и более. Это хромоникелевые, хромомарганцевые и сложнолегированные стали. Используют их в космической промышленности, судостроительной, атомной.
VII. По виду обработки
Выделяют два вида обработки. В результате получается металлопрокат разных назначений.
- Холоднокатаная. Холоднокатаная сталь производится путем проката горячекатаной стали при комнатной температуре или ниже. Этот процесс позволяет точнее контролировать размеры и форму проката. Холоднокатаные изделия имеют гладкую поверхность и более высокую точность размеров, размеры у них точнее.
- Горячекатаная. Горячекатаная сталь производится путем нагрева заготовок до температуры около 1100—1300°С, а затем прокатывается через специальные валки. Горячекатаный металлопрокат имеет более грубую поверхность, низкую точность и может иметь окисленные слои на своей поверхности из-за взаимодействия с воздухом во время нагрева, но обладает более высокой пластичностью и легко поддается дальнейшей обработке.
VIII. По способу производства
На смену мартеновским, тигельным и другим видам плавки пришли более современные. Расскажем про два самых актуальных способах плавления.
- Конвертерные. Температура в конвертере достигает 1600°С. В конвертерах плавится чугун, и в него подаётся воздух или кислород, который окисляет находящиеся в чугуне примеси. Примеси впоследствии удаляются. В итоге получают сталь массового производства, высококачественную, легированную.
- Электроплавка. Это метод производства, основанный на использовании электрической энергии для плавления металлического сырья. Этот процесс позволяет получать высококачественные стали с различными химическими составами и свойствами. Процесс электроплавки осуществляется в электропечах, которые нагреваются электрическими нагревательными элементами. Существуют несколько различных типов электропечей, используемых в этом процессе, но два основных типа: электродуговые печи и индукционные.
IX. По области применения
Всех сфер не перечислить, но мы выделим наиболее актуальные. Некоторые названия не задокументированы официально, но используются в быту и металлурги и прокатчики понимают, что под ними подразумевается.
- Пищевые. Как раз пример классификации, которая неофициальна, но вошла в обиход. Под пищевыми сталями подразумевают нержавейку, из которой делают приборы и оборудование, которые контактируют с предметами питания и продуктами. Это вилки, ножи, кастрюли, грили и т.д. Пищевая сталь нетоксична, крепка, не ржавеет. В России марками будут 03Х17Н14М3, 08Х18Н10, по стандартам США это серия AISI 300.
- Автоматные. Обладают характеристиками, которые делают их идеальными для использования в автоматах, станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и других механизмах с высокой скоростью и повышенной точностью.
- Судовые. Из них делают корпус судна, палубы, балластные баки, трубопроводы, рулевые устройства, а также другие части и оборудование. Прочность может быть нормальной — с пределом текучести 235 МПа, и высокой — с сопротивлением до 390 МПа. Стали высоколегированные, износостойкие, коррозионностойкие. Используются не только для строительства судов, но и для морских и речных сооружений.
- Арматурные. Полное название по ГОСТ 5781-82 — сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций, но в быту её называют просто арматурной. Производят в виде стержней или проволоки.
- Строительные. Содержат 0,25% углерода. Как следует из названия, её используют в строительстве, из неё делают армирующие и крепежные элементы, каркасы и другие конструкции. Выпускаются в виде листового и сортового проката. По классам прочности подразделяются на обычную — С235, С245, С255; повышенную — С345, С375, С390; высокую — С440 и С590.
- Котельные. Высококачественные, выдерживают давление и температуру воды и пара. В зависимости от эксплуатации оборудования используют сталь: низколегированную, углеродистую, легированную аустенитного класса. Примеры марок: 15К, 15ГС, 10Х9МФБ, 14ХГС.
- Подшипниковые. Сопротивляются контактным нагрузкам, износостойкие, выдерживают температуры от -60°С до +400°С и выше. Основной легирующий элемент — хром,чем больше хрома в составе, тем больше размер детали. Углерод составляет 0,95—1,15% от всей массы.
- Броневые. Легированная высокопрочная сталь, в основном используется в военной морской и сухопутной технике. Выделяют противоснарядные и противопульные листы. Свои свойства приобретает в ходе специальной закалки.
- Мостовые. Технические условия регламентируются в ГОСТ 6713-2021, по нему прокат для мостостроения изготавливают из марок 09Г2СД, 10ХСНД, 14ХГНДЦ и 15ХСНД. Марка и характеристики будут зависеть от назначения моста (железнодорожные, пешеходные, городские, совмещенные и другие.
- Штамповые. Относятся к инструментальному типу, из них делают, пуансоны, ролики и другие инструменты, которые обрабатывают металл давлением. Штампы обрабатывают металл в холодном или в горячем состоянии. Штамповая сталь для горячей прокатки будет легированной, жаропрочной, например марка 5ХНМ. А для штампов холодного деформирования будет углеродистая, износостойкая, например марки У7, У8, У9.
- Быстрорежущие. Из них изначально делали лезвия, а теперь применяют и в других сферах: изготавливают подшипники, клапаны, насосы, лопасти и другие детали механизмов. Обусловлено это тем, что быстрорежущие стали выдерживают кратковременное нагревание до 750°С и не теряют свойств.
- Валковые. В составе много добавок, они зависят от применения валка, какая нагрузка на него будет, с какими абразивами будет работать, горячая прокатка или холодная. Для примера марки: 55Х, 75ХМ, 60ХСМФ.
- Рессорно-пружинные. Главное свойство пружинной стали — возвращение к исходной форме, достигается это за счет высокого предела текучести. Основной легирующий элемент — кремний, углерода в составе меньше 1%. Еще одно применение — струны и хомуты.
В целом, сталь является уникальным материалом, сочетающим в себе прочность, устойчивость к коррозии и тепловую проводимость. Ее различные виды предлагают широкий спектр применений, делая сталь неотъемлемой частью нашей современной жизни и промышленности.
X. Нормативы
ГОСТ 1050-88. Сталь углеродистая качественная конструкционная.
ГОСТ 1435-99. Сталь углеродистая инструментальная.
ГОСТ 5632-72. Сталь высоколегированные и стали короззионностойкие, жаропрочные и жаростойкие.
ГОСТ 23118-2012. Конструкции стальные строительные.
XI. Источники
«Основы материаловедения (металлообработка)» В. Н. Заплатин, Ю. И. Сапожников, А. В. Дубов и др. «Академия», 2017
«Производство стали и сплавов» О.К. Токовой, ЮУрГУ, 2013.
«Материаловедение» Кушнер В. С. 2008.