Детализация и систематизация марок сталей

Обращение к нашим специалистам имеет множество плюсов, среди которых соблюдение требований ГОСТа и всех технологических стандартов. Мы обеспечиваем строгий контроль за качеством на каждом этапе нашего процесса, что позволяет гарантировать нашим клиентам высококачественный и добросовестно выполненный продукт.

Виды стали: классификация по составу, назначению, структуре, раскислению и качеству

Итак, о чем речь? Разделение сталей осуществляется на основе их химического состава, функционального назначения, структуры, методов раскисления и качества. Для их идентификации применяется специальная маркировка, которая характерна для России. В отличие от нее, многие европейские и американские производители не используют подобные системы.

Как правильно читать маркировку? Стандартный сплав, не содержащий легирующих элементов, обозначается буквой «Ст». Затем следуют цифры, которые указывают на содержание углерода в сплаве. Иногда может быть добавлена аббревиатура «КП», которая расшифровывается как кипящая сталь, что означает уровень раскисления. В общем, интерпретировать такую маркировку достаточно просто.

Вопросы, которые будут рассмотрены в этом материале:

• Что представляет собой сталь?
• Как осуществляется маркировка стали?
• Какие существуют виды стали по химическому составу?
• Как классифицируются стали по назначению?
• Разделение сталей по структуре.
• Методы раскисления и качество стали.
• Какие марки стали наиболее качественны?
• Часто задаваемые вопросы о различных видах стали.

Что собой представляет сталь

Сталь — это сплав, состоящий из железа с добавлением углерода в пропорции до 2,14%. Такое соединение обеспечивает материалу необходимую твердость, однако, если содержание углерода превышает указанный предел, это может привести к повышенной хрупкости металла.

Для того чтобы придать сплаву специфические свойства, зачастую применяются различные легирующие добавки. Эти добавки помогают улучшить прочность и уровень коррозионной стойкости перед созданием материала. Существующие методы термической обработки также значительно улучшают характеристики стали, но использование легирующих компонентов значительно ускоряет и оптимизирует этот процесс.

Сталь классифицируется по следующим основным критериям:

• Химический состав;
• Функциональное назначение;
• Качество;
• Структура;
• Степень раскисления.

Разделение сталей по химическому составу

На основе химического состава сплавы делятся на несколько ключевых категорий в зависимости от уровня легирующих элементов. Среди них выделяются следующие:

1. Углеродистая сталь:
   • Низкоуглеродистые стали (до 0,3% углерода);
   • Среднеуглеродистые стали (0,3% — 0,6% углерода);
   • Высокоуглеродистые стали (более 0,6% углерода).
2. Легированные стали:
   • Соединения с добавлением хрома (увеличивают коррозионную стойкость и твердость);
   • С добавлением никеля (повышает прочность и устойчивость к низким температурам);
   • С добавлением молибдена (улучшает стойкость к теплу и химическим воздействиям);
   • С добавлением ванадия (укрепляет прочность и твердость).

Углеродистые стали

Этот тип стали наиболее широко распространён и содержит углерод в качестве основного легирующего элемента. Они делятся на подкатегории в зависимости от содержания углерода и области применения. Например, марки углеродистых сталей, обозначенных по стандартам ГОСТ и DIN (немецкий индустриальный стандарт):

Примеры марок по ГОСТ:

1. 10 (ГОСТ 1050-88). Низкоуглеродистая сталь (содержание углерода от 0,08 до 0,14%), используется для ковки и литья;
2. 20 (ГОСТ 1050-88). Низкоуглеродистая сталь (углерод от 0,17 до 0,24%), служит для изготовления крепежных деталей, таких как болты и шпильки;
3. 45 (ГОСТ 1050-88). Среднеуглеродистая сталь (углерод от 0,42 до 0,50%), подходит для создания валов, зубчатых колёс и других элементов, требующих повышенной прочности.

Примеры марок по DIN:

1. C15 (DIN EN 10083-2). Низкоуглеродистая сталь (примерно 0,15% углерода), используется для создания общих деталей машин и механизмов;
2. C45 (DIN EN 10083-2). Среднеуглеродистая сталь (примерно 0,45% углерода), применяется для производства шестерен, валов и рычагов, работающих под высокими нагрузками.

Эти марки стали различаются по содержанию углерода и, соответственно, механическими свойствами, что предопределяет их использование в разных отраслях промышленности и при производстве.

Легированные стали

Легированные стали — это сплавы, содержащие различные легирующие элементы (такие как хром, никель, молибден, ванадий и другие), которые улучшают их механические характеристики. Общие свойства легированных сталей включают в себя не только повышенную прочность и твердость, но также стойкость к коррозии и высокотемпературным воздействиям, что делает их более универсальными.

Примеры марок легированных сталей по стандартам ГОСТ и DIN:

Примеры марок по ГОСТ:

1. 40Х (ГОСТ 4543-71). Хромомарганцевая сталь, содержащая 1% хрома и марганца, предназначена для изготовления деталей, работающих под повышенной нагрузкой;
2. 30ХГСА (ГОСТ 4543-71). Хромомарганцевая сталь с добавлением 0,4-0,6% молибдена, обеспечивает улучшенные механические свойства и коррозионную стойкость.

Примеры марок по DIN:

1. 42CrMo4 (DIN EN 10083-3). Хромомолибденовая сталь с содержанием хрома от 0,9 до 1,2% и молибдена от 0,15 до 0,30%, отличается высокой прочностью и устойчивостью к ударным нагрузкам;
2. X5CrNi18-10 (DIN EN 10088-1). Нержавеющая хромоникелевая сталь, содержащая 18% хрома и 10% никеля, применяется для производства деталей, функционирующих в агрессивных средах.

Разделение сталей по функциональному назначению

Способы классификации сталей позволяют инженерам понимать, насколько разнообразными могут быть их свойства. Основная причина таких отличий — это как углерод, так и другие легирующие элементы, которые не всегда являются критическими с точки зрения содержания, но могут радикально менять характеристики. Чтобы упростить инженерам задачу поиска необходимого сплава, все стали делятся на три основные категории: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные стали

Конструкционные стали предназначены для использования в строительных и машиностроительных проектировках, где требуется высокая прочность и устойчивость к механическим нагрузкам. Эти стали часто имеют специальные свойства, что позволяет им быть устойчивыми к износу, хорошо свариваемыми и поддающимися обработке. Основные характеристики конструкционных сталей включают:

1. Высокая прочность с низкой деформацией под нагрузкой;
2. Отличная свариваемость, которая позволяет соединять детали с высокой надежностью;
3. Хорошая обрабатываемость, что упрощает процесс формовки и обработки в ходе выполнения работ;
4. Некоторые сортам конструкционных сталей присуща повышенная устойчивость к износу, что делает их идеальными для использования в условиях, где возможен трение и абразивное воздействие.

Примеры марок по ГОСТ:

1. 20К (ГОСТ 1050-88). Низкоуглеродистая сталь, используется для создания строительных конструкций и элементов машин;
2. 09Г2С (ГОСТ 19281-89). Конструкционная углеродистая сталь с добавлением марганца и кремния, используется в сварных конструкциях и трубопроводах.

Примеры марок по DIN:

1. S355 (DIN EN 10025-2). Низколегированная конструкционная сталь, используется для изготовления мостов, зданий и других объектов;
2. St52-3 (DIN 17100). Конструкционная углеродистая сталь, применяется для производства деталей, работающих в условиях высоких нагрузок.

Приведенные марки конструкционных сталей демонстрируют их разнообразие и специфические характеристики, что обеспечивает возможность выбора оптимальных материалов в зависимости от требований конкретного проекта.

Инструментальные стали

Инструментальные стали производятся для создания режущих и формовочных инструментов, которые должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и термостойкостью. В зависимости от требований к инструменту применяются различные марки сталей. Основные характеристики инструментальных сталей включают:

1. Высокая твердость, необходимая для долговечности рабочих кромок;
2. Способность сохранять форма и остроту при работе с материалами, вызывающими износ;
3. Устойчивость к высоким температурам, что особенно актуально для инструментов, работающих при больших скоростях резки;
4. Некоторые марки имеют высокую устойчивость к ударным нагрузкам, что важно для инструментов, подверженных сильным ударам.

Примеры марок инструментальных сталей:

Технологический процесс

Раскислением стали называют процесс удаления кислорода из сплава. Эта операция выполняется последовательно в унифицированной технологической последовательности:

1. Раскислитель вводится в расплав стали, проникая в зоны, где сосредоточен кислород;
2. Возникают продукты раскисления;
3. Происходит основная реакция;
4. Продукты завершенной реакции удаляются из сплава.

Важно удалить продукты распада до того, как сталь затвердеет, иначе процесс будет нарушен, что отразится на качестве конечного изделия.

Если процесс не соблюдает необходимые дозировки, в слитке могут образоваться газовые поры, пузырьки и инородные соединения, которые отрицательно скажутся на механических и химических характеристиках стали.

Способы раскисления

Существуют три главных метода удаления кислорода из стали:

Глубинное раскисление

Это наиболее востребованный и экономичный метод, который включает введение в сплав веществ, образующих прочные окислы с кислородом. Не стоит ожидать получения идеально чистой стали, однако большинство дефектов можно устранить в процессе последующей обработки.

Диффузное раскисление

Здесь снижается концентрация кислорода за счёт раскисления шлака. Реакция проходит между сплавом и шлаком, в составе которого содержится не более 1% оксида железа. Эта процедура выполняется только в специализированных печах без присутствия горящих газов.

Вакуумное раскисление

Обработка металла проходит в вакууме, что значительно увеличивает способность углерода к раскислению и уменьшает содержание кислорода в сплаве. Расплав с добавками перемешивается в ковше, который помещается в герметичную камеру. Вакуумный насос создаёт необходимое давление, благодаря чему количество примесей уменьшается.

Комбинированное раскисление

Этот метод основывается на использовании как шлака, так и раскислителей для снижения уровня кислорода в слитке.

Раскисление с использованием кальция

Кальций (Ca) — это щелочноземельный металл с высокой реакционной способностью, температура его плавления составляет 842°C, а плотность невелика. Данный элемент способен связывать кислород, образуя оксиды, а также удалять примеси и формировать комплексные соединения.

Существует несколько методов введения кальция в расплав, включая использование проволоки или порошков, а также ферросплавов. Можно применять инжекционные технологии и ковшевую обработку. Оптимальный уровень содержания Ca в сплаве составляет 0,01-0,05%, а дозировка зависит от конкретной марки стали и требований к будущему материалу.

Процесс включает подготовку расплава с точным контролем температуры, равномерное распределение соединения и тщательный анализ химического состава. Завершается обработка сплава.

Кальций активно используется в высокопрочных сплавах, конструкционных сталях, подшипниковых материалах и в автомобилестроении. Многие выбирают этот элемент благодаря хорошей эффективности раскисления, повышению качества металла и снижению хрупкости. Однако он является дорогим в производстве, следовательно, критично важно обеспечить точность дозировки, так как кальций легко окисляется.

Раскисление алюминием

Процесс раскисления стали с использованием алюминия (Al) представляет собой важную часть металлургии, так как это позволяет удалить растворённый кислород из жидкой стали. Реакция происходит по следующей формуле: 2Al + 3O = Al2O3, где образующийся оксид алюминия (Al2O3) отделяется и восходит в шлак.

Преимущества использования алюминия:

1. Высокая способность к раскислению;
2. Формирование неметаллических включений, которые легко удаляются с шлаком;
3. Доступная цена;
4. Положительное воздействие на структуру сплава.

Al вводится в жидкую сталь в форме чушек, проволоки или гранул; обычно его расход составляет от 0,5 до 2 кг на тонну стали при температуре 1550-1600°C. Для контроля процесса отбирают пробы для анализа содержания кислорода в расплаве и отслеживают температуру металла, а также качество шлака.

Чрезмерное содержание алюминия может привести к образованию крупных включений в сплаве и вторичному окислению при разливке. Часто этот процесс комбинируется с добавлением других веществ для достижения нужных свойств.

Раскисление марганцем

Использование марганца (Mn) для удаления кислорода стало основным методом в металлургии. Реакция происходит по следующей формуле: Mn + O = MnO. Образующийся оксид переходит в шлак. Эффективность этого метода единичных температур (выше 1600°C) может значительно снижаться.

4. Степень раскисления.

По степени удаления кислорода из стали, то есть по степени раскисления, выделяют следующие категории сталей:

1) Спокойные стали, полностью раскисленные; такие марки обозначаются буквами «сп» в конце обозначения (иногда эти буквы могут быть опущены);

2) Кипящие стали – слабораскисленные; маркируются буквами «кп»;

3) Полуспокойные стали с содержанием кислорода, представляющее собой компромисс между двумя предыдущими категориями; обозначаются буквами «пс».

Сталь обыкновенного качества подразделяется на три группы в зависимости от поставок:

1) Сталь группы «А» поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);

2) Сталь группы «Б» – по химическому составу;

3) Сталь группы «В» – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δ_т, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, обозначаемые арабскими цифрами.

Стали обыкновенного качества обозначаются буквой «Ст» и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные характеристики стали, тем выше её номер. Буква «Г» после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Для указания категории стали к обозначению марки добавляется номер в конце, соответствующий категории, при этом первую категорию обычно не указывают.

Примеры:

Ст1кп2 — углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);

ВСт5Г — углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

Вст0 — углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).

1) В начале марки указывается содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации;

а) В сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода;

05кп — сталь углеродистая качественная, кипящая, содержащая 0,05% углерода;

60 — сталь углеродистая качественная, спокойная, содержащая 0,60% углерода;

б) В десятых долях процента для инструментальных сталей, которые дополнительно обозначаются буквой «У»:

У7 — углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% углерода, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены);

У12 — углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная, содержащая 1,2% углерода;

2) Легирующие элементы, включенные в состав стали, обозначаются русскими буквами:

А — азот

К — кобальт

Т — титан

Б — ниобий

М — молибден

Ф— ванадий

В — вольфрам

Н — никель

Х — хром

Г — марганец

П — фосфор

Ц — цирконий

Д — медь

Р — бор

Ю — алюминий

II Классификация и маркировка чугунов

Чугуном называют сплавы железа и углерода, в которых содержание углерода превышает 2,14%. Эти сплавы имеют в своем составе те же примеси, что и сталь, но в большей концентрации. В зависимости от состояния углерода в чугуне, их классифицируют следующим образом:

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и чугун, в котором углерод присутствует в значительной степени или полностью в свободном состоянии в виде графита. Эти состояния определяют прочностные свойства сплава, и чугуны подразделяются на следующие категории:

1) Серые – с пластинчатой или червеобразной формой графита;

2) Высокопрочные – с шаровидным графитом;

3) Ковкие – с хлопьевидным графитом. Чугуны маркируются двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δ_в при растяжении в МПа -10.

Серый чугун обозначается буквами «СЧ» (ГОСТ 1412-85), высокопрочный — «ВЧ» (ГОСТ 7293-85), ковкий — «КЧ» (ГОСТ 1215-85).

СЧ10 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;

ВЧ70 — высокопрочный чугун с пределом прочности 700 МПа;

КЧ35 — ковкий чугун с временным сопротивлением при растяжении около 350 МПа.

Для узлов трения со смазкой применяют антифрикционные чугуны, такие как АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и другие. Аббревиатура АЧ расшифровывается как антифрикционный чугун:

С — серый, В — высокопрочный, К — ковкий. Цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.

Свойства

При оценке марки сталей инженеры учитывают химический состав и их физические, а также механические свойства, которые охватывают весь диапазон характеристик. Каждая марка выделяется уникальным набором свойств.

Прочностные характеристики

Ключевым фактором при проектировании строительных конструкций выступает способность материалов противостоять высоким нагрузкам. Прочностные характеристики определяются следующими показателями:

• Удлинение при разрыве показывает, насколько материал может удлиниться перед разрушением при высокой силовой нагрузке, превышающей предел прочности;
• Предел прочности — это та нагрузка, которая необходима для разрушения;
• Предел текучести — это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация;
• Твердость определяет устойчивость металла к внедрению твердого инородного тела;
• Ударная вязкость демонстрирует способность определять, сколько энергии требуется для разрушения материала при резком ударе.

Эти параметры взаимосвязаны между собой. Если рассматривать их в отдельности и в совокупности, это поможет предсказать, как материал будет вести себя в процессе эксплуатации. Механические характеристики стали улучшаются с увеличением содержания углерода: растет предел прочности на разрыв, а также предел текучести. В то же время, удлинение при разрыве обратно пропорционально количеству углерода. Исходные свойства стали также можно изменять с помощью термической обработки.

Одним из важнейших, но недооцененных показателей механических свойств сталей является ударная вязкость, которая отражает, сколько энергии необходимо для разрушения определённого куска материала. В отличие от предела вязкости, данный критерий оценивает резкий удар, а не устойчивую нагрузку.

Стойкость к коррозии

Коррозия и окисление являются слабыми местами данного материала. Сталь слабо реагирует на контакт с насыщенным паром, воздухом и водой. Чтобы улучшить стойкость стали к коррозии, добавляются дополнительные элементы, которые сами по себе не подвержены воздействию воды, такие как цинк, никель, молибден, хром, титан или медь. Однако углеродистые сплавы часто имеют минимальное содержание таких примесей, что делает их уязвимыми к коррозии.

Использование технологий фосфатирования и химического оксидирования может значительно повысить устойчивость против ржавчины. В ряде случаев применяются защитные покрытия, такие как кадмирование, никелирование, окрасочные работы, цинкование и хромирование.

Устойчивость к износу

С учетом того, что стальные детали взаимодействуют с газообразными и жидкостными средами, а также с другими деталью, способность противостоять изнашиванию является важным качеством. Для повышения износостойкости стали необходимо увеличить твердость ее поверхностного слоя и сгладить неровности. Это может быть достигнуто путем химико-термической обработки или полировки до блеска.

Устойчивость к перепадам температур

Углеродистые стали способны выдерживать значительные колебания температуры, колеблясь от -100 до +350 градусов. Если температура превышает эти пределы, металл теряет свою прочность. Как и в случае ухудшения коррозионной стойкости, легирующие элементы (Si, Mn, Mo) могли бы улучшить устойчивость при охлаждении и нагревании. Однако для этого необходимо высокое содержание данных компонентов, что не характерно для данного типа сплавов.

Технологичность

Технологичность стали характеризует удобство ее обработки в промышленности. Она считается высокопроизводительной, поскольку с ее помощью можно добиться многих целей в производстве. Основные марки этого сплава воспринимают:

Область применения углеродистых сталей

Благодаря своим уникальным свойствам, углеродистые стали находят применение в различных сферах экономики. Однако прежде чем изготовить деталь, важно оценить условия, в которых она будет эксплуатироваться.

Из низкоуглеродистой стали производят втулки, дистанционные кольца, плиты, колпаки, прихватки, крышки, стаканы для подшипников и маховики. Такие сплавы используются для создания корпусных деталей и каркасных конструкций, так как их низкая прочность компенсируется хорошей сварочной технологией.

Среднеуглеродистые стали подойдут для создания деталей, которые подвергаются интенсивным нагрузкам. Это валы, шпиндели, шестерни, ролики и рычаги. В процессе их производства проводят механическую и термообработку, а также воздействуют абразивными материалами.

Высокоуглеродистые стали, содержащие большое количество углерода, используются достаточно редко, так как они сложны в обработке, и в случае возникновения дефекта, его исправление будет затруднительным. Их применяют для создания деталей, которые должны быть твердыми и упругими, таких как пружины, рессоры и цанги.

Инструментальные марки получили свое название не зря: из них изготавливают разнообразные инструменты, включая напильники, отвертки, гаечные ключи, кусачки, плоскогубцы, ножовки, садовые ножницы и топоры. Инструментальная сталь также чувствительна к нагреву, поэтому изделия из неё нельзя использовать при температурах выше +300 градусов.

Сталь также активно используется для производства крепежных элементов (шпилек, винтов и болтов). В зависимости от марки стали, они могут подвергаться термической обработке. Применяются как методы горячей, так и холодной штамповки.

Одним из наиболее эффективных методов разделения заготовки на элементы является лазерная обработка углеродистой стали. Эта технология находит широкое применение в авиационной и автомобильной отраслях, в нефтепереработке, машиностроении и рекламе. Преимущества этой технологии включают:

• Высокий КПД. Автоматизация процесса при оптимальной скорости резания минимизирует требования к последующей обработке готовых изделий;
• Скорость резания — до 2,5 метров в минуту. Для раскройки одного листа достаточно одного производственного цикла;
• Минимальные отходы благодаря толщине реза всего в несколько миллиметров;
• Возможность создания деталей любой формы;
• Отсутствие брака и деформаций, что позволяет избегать человеческого фактора и дает возможность создавать качественные заготовки.

Имея представление о специфических свойствах углеродистых сталей, можно смело использовать их в широком спектре областей народного хозяйства. Чтобы узнать основную информацию о металле, достаточно изучить его базовые обозначения, что упростит расшифровку любой марки стали. В других случаях можно воспользоваться подробными таблицами для получения необходимых сведений.

Компания ПрофБау занимается обработкой углеродистой стали, предлагая все виды работ с металлами. Мы гарантируем:

• Скорость выполнения заказов;
• Квалифицированных и опытных сварщиков, обеспечивающих надежность и долговечность конечного изделия;
• Современное и профессиональное оборудование.

Компания ПрофБау придерживается ответственного подхода к выполнению заказов разного объёма и сложности. Не стесняйтесь доверять нам любую работу с металлом — мы осуществим ее качественно и в срок.