Сталь — один из самых распространённых материалов. На его основе делают несущие строительные конструкции, балки и колонны, корпуса морских судов и автомобилей, трубы, хирургический инструмент. Одна из причин такой универсальности — разнообразие марок. Для каждого сорта характерны особенности, определяющие спецификации, назначение, химические и физические свойства.
Понятие и отличия от чугуна
Сталь — сплав железа с углеродом, где доля второго компонента составляет от 0,02 до 2,14%. Именно концентрация углерода отличает сталь от чугуна, в котором доля этого элемента выше и составляет от 2,14 до 6,67%. Разница кажется не слишком большой, но она сильно меняет характеристики материала.
Чистое железо отличается мягкостью и пластичностью, из-за чего не подходит для изготовления деталей, оснастки, инструмента. Углерод обеспечивает прочность и твёрдость. Чем выше его доля, тем твёрже материал, но тем он более хрупок. Эта зависимость объясняет, почему чугун плохо переносит ковку, однако, оптимален для выпуска деталей по литьевой технологии.
Помимо базовых компонентов, в составе стали присутствуют примеси: марганец, кремний, сера и фосфор. Первые два элемента попадают в сплав при выплавке и улучшают его качество. Сера и фосфор — вредные компоненты, чем меньше их содержание — тем выше качество.
Технологии выпуска сталей следующие:
- Кислородно-конвертерный — продувка чугунного расплава кислородом для удаления избытков углерода.
- Электродуговой — переплавка лома.
- Мартеновский — классический, в мартеновских печах. Сейчас используется редко.
Классификация сталей: основные критерии
Основные классификационные признаки таковы:
- Химический состав — выделяют углеродистые и легированные сорта.
- Назначение — конструкционные, инструментальные, специальные.
- Качество — обыкновенные и более высоких категорий.
- Степень раскисления — кипящие, полуспокойные, спокойные.
- Структура — отожжённые и нормализованные.
Виды стали по химическому составу
От состава зависят основные параметры — прочность, пластичность, способность к закалке, специфика механической обработки. Основные группы — углеродистые и легированные.
Материалы первой группы содержат только железо, углерод и примеси, полное удаление которых невозможно. Легированные дополнительно включают компоненты для улучшения характеристик — хром, никель, молибден.
Состав влияет и на свариваемость. Низкоуглеродистые сорта можно варить без ограничений, средне- и высокоуглеродистые — требуют термической обработки. Высоколегированные сплавы часто сваривают специальными электродами в защитной среде.
| Тип | % углерода | Основные свойства | Применение |
|---|---|---|---|
| Низкоуглеродистая | до 0,25% | Высокая пластичность, хорошая свариваемость | Листовой прокат, трубы, метизы |
| Среднеуглеродистая | 0,25–0,60% | Баланс прочности и пластичности, хорошо закаливается | Шестерни, валы, рессоры |
| Высокоуглеродистая | 0,60–2,14% | Максимальная твёрдость, минимальная пластичность | Режущий инструмент, свёрла, ножи |
Углеродистые стали
Углеродистые стали — наиболее доступные и распространённые. Классификационный критерий — содержание углерода. Материалы представлены тремя категориями:
- Низкоуглеродистые, менее 0,25% углерода. Максимально пластичны, просты в сварке, подходят для выпуска листового проката, труб, метизов, деталей, не находящихся под большими нагрузками.
- Среднеуглеродистые, от 0,25 до 0,6%. Сбалансированы по прочности и пластичности, после закалки — очень твёрдые. Оптимальны для выпуска нагруженных деталей, например шестерней и валов приводных систем.
- Высокоуглеродистые, от 0,6 до 2%. Пластичность минимальна, твёрдость максимальна. Хороши для режущего инструмента, свёрл, ножей.
Легированные стали: виды и влияние добавок
Задача легирующего компонента — улучшение исходных параметров сплава, придание свойств, недоступных углеродным сортам. Примеры следующие:
- Хром — повышение твёрдости, стойкости к механическому износу и коррозии.
- Вольфрам — максимальная твёрдость, необходимая режущему инструмента.
- Кремний — повышение упругости, что актуально для пружин, рессор и других элементов, испытывающих нагрузки на сжатие и растяжение.
- Кобальт — термическая стойкость, необходимая металлам, подверженным интенсивному нагреву.
Общая доля легирующих добавок позволяет выделить следующие сорта:
- Низколегированные — до 2,5%.
- Среднелегированные — от 2,5 до 10%.
- Высоколегированные — свыше 10%.
Чем выше степень, тем сложнее механическая обработка. Для высоколегированных сталей допустимо применение исключительно твердосплавной оснастки с организацией подачи смазывающе-охлаждающей жидкости в зону обработки.
| Буква в маркировке | Легирующий элемент | Основной эффект |
|---|---|---|
| Х | Хром (Cr) | Коррозионная стойкость, твёрдость |
| Н | Никель (Ni) | Вязкость, жаропрочность, морозостойкость |
| М | Молибден (Mo) | Жаропрочность, прокаливаемость |
| В | Вольфрам (W) | Твёрдость при нагреве, красностойкость |
| Г | Марганец (Mn) | Износостойкость, прокаливаемость |
| С | Кремний (Si) | Упругость, окалиностойкость |
| К | Кобальт (Co) | Термическая стойкость |
| Т | Титан (Ti) | Стабилизация структуры, коррозионная стойкость |
| Ф | Ванадий (V) | Твёрдость, мелкозернистость |
| Д | Медь (Cu) | Атмосферная коррозионная стойкость |
| Ю | Алюминий (Al) | Раскисление, азотирование |
Виды сталей по назначению
Спецификация зависит от химического состава и физических свойств. Например, к конструкционным сталям относят сорта для изготовления деталей машин, строительных конструкций. Требования — прочность, пластичность, хорошая свариваемость. Выделяют следующие классы:
- Машиностроительные стали — производство валов, шатунов и других элементов подвижных приводных систем. Популярные марки — 40Х, 40ХН, 30ХГСА.
- Пружинные — отличаются высоким пределом упругости. Кремний и марганец обеспечивают нужные свойства. Примеры — марки 65Г, 60С2А, 50ХФА для рессор, пружин.
- Подшипниковые — выдерживают высокие контактные нагрузки. Хром обеспечивает твёрдость после закалки. Популярная марка — ШХ15.
- Цементируемые — проходят химико-термическую обработку: поверхность насыщают углеродом для повышения твёрдости, а сердцевина сохраняет вязкость. Примеры — марки 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А для шестерён и валов.
Инструментальные стали
Инструментальная сталь должна сохранять режущую способность при нагреве, выдерживать интенсивное трение и ударные нагрузки. Особенность — содержание углерода свыше 0,7 процента. В категории выделяют следующие сорта:
- Углеродистые инструментальные (У7–У13) для ручного инструмента, работа которого не сопряжена с нагревом, например зубил или стамесок.
- Легированные — для инструмента, подверженного интенсивным механическим нагрузкам, например фрез.
- Быстрорежущие. Благодаря повышенному содержанию вольфрама, молибдена надёжны при максимальных нагрузках. Например, из них делают свёрла для станков, работающих на очень высоких оборотах.
- Медицинские. Такие сплавы сочетают высокую твёрдость с абсолютной коррозионной стойкостью. Они выдерживают частую стерилизацию, включая обработку кислотными растворами и другими агрессивными составами.
Стали специального назначения
В категории объединены сплавы с особыми параметрами, обеспечивающими адаптацию к особым эксплуатационным нагрузкам:
- Нержавеющие стали. Отличие — содержание хрома в 12 и более процентов. Исключена коррозия при постоянном контакте с водой, воздействии агрессивных химических составов.
- Жаропрочные. Выдерживают термическую нагрузку в 500 и более градусов. Для компонентов силовых установок, реактивных двигателей, подверженных интенсивному нагреву.
- Кислотостойкие. Адаптированы к контакту с соляными, серными и другими особо агрессивными кислотами.
- Электротехнические. Максимальная магнитная проницаемость. Назначение — выпуск компонентов электромоторов, трансформаторных сердечников.
- Пищевые. Соответствуют жёстким санитарно-гигиеническим требованиям, что допускает контакт с продуктами питания без порчи, изменения органолептических свойств.
- Морозостойкие. Остаются пластичными даже при воздействии очень низких температур.
Виды стали по свойствам
Подбор марки под конкретную задачу требует учёта эксплуатационных условий, механических, термических, химических нагрузок.
Стали с высокой твёрдостью
Этот параметр определяет, насколько успешно металл сопротивляется сжатию и трению. Актуален для свёрл, валов прокатных станков, подшипников.
Первый метод повышения твёрдости — повышение содержания углерода, второй — добавление легирующих компонентов. Популярные примеры твёрдых сталей таковы:
- У10, У12 — углеродистые инструментальные, твёрдость после закалки 62–64 HRC, применяют для напильников, свёрл по дереву, холодных штампов.
- ШХ15 — подшипниковая хромистая, 61–63 HRC, для подшипников.
- Х12МФ — штамповая, 58–60 HRC, используют для вырубных штампов и ножей промышленных измельчителей.
- Р6М5 — быстрорежущая, 63–65 HRC, стандарт для свёрл, метчиков, фрез.
Жаропрочные и жаростойкие стали
Эти понятия близки, но не синонимичны.
Жаростойкость — способность противостоять химическому разрушению при высокотемпературной нагрузке. Нагрев сопряжён с активным окислением, появлением окалины. Справиться с разрушительными процессами помогает добавление кремния и хрома. Такие стали применяют при производстве деталей для котлов, печей, турбин и двигателей.
Жаропрочность — способность к сохранению механических прочностных характеристик при продолжительной термической нагрузке. Предел для обычной стали — 500 градусов, после чего она начинает «расползаться», деформироваться даже при слабом воздействии. Решение проблемы — легирующие добавки, никель, молибден, вольфрам.
Нержавеющие и кислотостойкие стали
Минимальная доля хрома для достижения коррозионной стойкости — 12 процентов. В этом случае на поверхности образуется прочная плёнка, препятствующая контакту металла с веществом-окислителем.
В данной группе выделяют три главных типа:
- Нержавеющие стали. Выдерживают атмосферные нагрузки, долгий контакт с пресной водой, слабыми кислотными растворами. Примеры — 12Х18Н10Т, 08Х18Н10 — содержат 18% хрома и 10% никеля. Их применяют для деталей насосов, арматуры, медицинского оборудования, бытовой техники.
- Кислотостойкие. Выдерживают воздействие агрессивных сред, вплоть до концентрированных растворов серной, соляной кислоты. Свойства обеспечены 20-процентным содержанием никеля, 4-процентным — молибдена.
- Пищевые. Нержавейка с особо гладкой поверхностью, соответствующая строгим санитарно-гигиеническим нормам. Используется для инженерных систем предприятий пищевой промышленности, резервуаров и трубопроводов, посуды.
Морозостойкие стали
Особенность углеродистых сталей — потеря пластичности при низкотемпературной нагрузке. На морозе металл теряет пластичность. Из-за сильной хрупкости даже слабый удар может полностью разрушить деталь, вместо того чтобы оставить обычную вмятину. Добиться морозостойкости помогают следующие методы:
- Легирование никелем — 2–3% никеля сдвигают порог до -40°C, 6–9% — до -60°C и ниже.
- Измельчение зерна — мелкозернистая структура препятствует распространению трещин.
- Снижение содержания вредных примесей — чрезмерные концентрации серы и фосфора ослабляют структуру.
Примеры морозостойких марок таковы:
- 09Г2С — работает до -40°C, массово применяется для строительных конструкций в северных регионах.
- 10ХСНД — выдерживает до -60°C, идёт на мосты, резервуары, транспортные конструкции.
- 0Н6, 0Н9 — никелевые стали для криогенной техники, работают при температурах жидкого азота (-196°C).
Классификация сталей по качеству
Качество металла определяется содержанием вредных примесей — серы и фосфора. Элементы содержатся в руде, могут попасть в готовый материал в процессе выплавки. Если объёмная доля серы составляет свыше 0,050%, фосфора — 0,040%, то сталь принадлежит к категории обыкновенных. Для высококачественных аналогов характерны содержания обоих элементов не больше 0,025%, а особо качественных — 0,015. На высокое качество указывает буква «А» в конце маркировки, а на особо высококачественный сплав — буква «Ш».
Классификация сталей по степени раскисления
Выплавка сопряжена с насыщением стали кислородом. Он остаётся в массе как оксид железа. Чрезмерные объёмы негативно сказываются на механических показателях. Для удаления необходимо раскисление, связывание элементами, формирующими нерастворимые оксиды.
По степени раскисления выделяют следующие стали:
- Кипящие. Раскислены марганцем. Название объясняется структурой с характерными пузырьками углекислоты. Металл недорог, прост в штамповке, но не слишком прочен из-за неоднородности.
- Полуспокойные. Для их раскисления используют марганец и кремний. Сбалансированный по цене и параметрам вариант.
- Спокойные. Наиболее качественные, раскисленные марганцем, алюминием и кремнием. Структура стабильная, однородная, прочная.
Классификация сталей по структуре
Структуру стали можно увидеть под микроскопом. При многократном увеличении заметны различия в форме зёрен, количеству и особенностям включений. Структура сказывается на механических показателях, зависит от специфики термической обработки.
При классификации металла учитывают два состояния: по завершении отжига и нормализации. В отожжённом состоянии выделяют шесть классов:
- Доэвтектоидные — структура феррит + перлит, содержание углерода до 0,8%.
- Эвтектоидные — чистый перлит, около 0,8% углерода.
- Заэвтектоидные — перлит + цементит, углерода свыше 0,8%.
- Ледебуритные — в структуре присутствует ледебурит (характерно для инструментальных высоколегированных сталей).
- Аустенитные — стабильный аустенит при комнатной температуре, высокое содержание никеля.
- Ферритные — стабильный феррит, высокое содержание хрома, малое — углерода.
После нормализации выделяют четыре класса:
- Перлитные — структура на перлитной основе, характерная для большинства конструкционных сталей.
- Мартенситные — обладают высокой устойчивостью аустенита и закаливаются на воздухе с образованием мартенсита.
- Аустенитные — сохраняют аустенит, нержавеющие хромоникелевые.
- Ферритные — хромистые нержавеющие с малым содержанием углерода.
Маркировка сталей по ГОСТ: как расшифровать обозначение
Российская система маркировки построена на буквенно-цифровом коде, несущем информацию о составе и назначении стали. Принцип простой: буквы обозначают легирующие элементы, цифры — их примерное содержание.
Например, маркировка 12Х18Н10Т обозначает следующее:
- 12 — среднее содержание углерода в сотых долях процента (около 0,12%).
- Х18 — среднее содержание хрома составляет 18%.
- Н10 — в сплаве присутствует около 10% никеля.
- Т — титан содержится в качестве модифицирующей добавки в количестве до 1–1,5% (так как цифра после буквы отсутствует).
Маркировка 09Г2С позволяет сделать вывод, что в металле около 0,09% углерода, около 2% марганца (Г) и до 1% кремния (С).
Маркировка по международным системам
AISI — американский стандарт. Для нержавеющих сталей используется трехзначная маркировка (например, серии 300 или 400), а для углеродистых и легированных — четырехзначная. В нержавеющих сталях первая цифра указывает на класс (2 и 3 — аустенитные, 4 — ферритные и мартенситные), а последующие — на номер сплава. Дополнительно в маркировке встречаются буквы. Литера «H» указывает на повышенное содержание углерода, «L» — на низкое (менее 0,03% для улучшения свариваемости), а «N» — на добавление азота.
| AISI | EN | ГОСТ | Тип / Состав |
|---|---|---|---|
| 304 | 1.4301 | 08Х18Н10 | Аустенитная, 18% Cr, 8–10% Ni |
| 304L | 1.4307 | 03Х18Н11 | Аустенитная, низкоуглеродистая |
| 316 | 1.4401 | 10Х17Н13М2Т | Аустенитная + 2% Mo, кислотостойкая |
| 316L | 1.4404 | 03Х17Н14М3 | Аустенитная + Mo, низкоуглеродистая |
| 430 | 1.4016 | 12Х17 | Ферритная, 17% Cr |
| 410 | 1.4006 | 12Х13 | Мартенситная, 13% Cr |
