Классификация сталей по степени раскисления

Что такое сталь?

В производственных целях используют стальные заготовки, полученные методом холодного или горячего проката. Сталь ценится за высокую прочность и пластичность. Также стальной прокат отличается хорошей вязкостью, упругостью, твердостью и жаропрочностью. Единственным недостатком стали является низкая сопротивляемость коррозийным процессам, что объясняется ее составом.

Сталь – это продукт черной металлургии, получаемый путем добавления к железу углерода. При этом для придания материалу каких-либо отличительных черт, к нему добавляют другие элементы или меняют соотношение пропорций. Например, чтобы повысить прочностные характеристики, в состав стали вводят больше углерода. Но если его количество превышает 2,14%, вместо стали получается чугун. По химическому составу различают:

• углеродистую сталь;
• легированную сталь. Для получения дополнительных характеристик стальной сплав легируют кремнием, ванадием, хромом, молибденом, марганцем, никелем и др.

Благодаря исследованиям ученых, кроме указанных выше, изготавливают нержавеющую и оцинкованную стали.

Углеродистая сталь

Под углеродистыми сталями понимают низколегированные сплавы на 99,5% состоящие из железа. Дополнительные добавки определяют физико-механические свойства сплава, поэтому их дозировка строго ограниченна и должна соответствовать нормативам. В настоящее время углеродистые стали составляют порядка 80% от всего выплавляемого объема стальных композиций.

Углеродистые стали насчитывают более 2 тысяч марок, которые представляют собой инструментальные, конструкционные или обычные стали. По качественным характеристикам различаются:

• обычная сталь холодного или горячего проката;
• конструкционная сталь высокого качества. Производится в виде заготовок, полученных методом горячего проката, кованных изделий, круглых прутков (серебрянки) и калиброванной стали.

Последняя применяется в разных сферах промышленности, для изготовления особо прочных деталей и механизмов. В числе основных достоинств углеродистой стали:

• хорошее соотношение цены и качества продукта;
• высокий показатель упругости. Это позволяет применять ее при изготовлении конструкций, испытывающих повышенные нагрузки и требующих материалов особой жесткости;
• закаливание стали, которое производится в температурных пределах от 200 до 6000 С в секунду повышает техническую прочность стали. При этом термическая обработки не влияет на упругость материала;
• хорошо поддается обработке резкой и давлением, показывает неплохие результаты при сваривании.

Все эти преимущества делают углеродистую сталь востребованной в современном производстве при изготовлении продукции массового потребления.

Маркировка углеродистых сталей

Классификацию сталей производят по нескольким показателям, среди которых:

• химический состав;
• структурный состав;
• качественные показатели;
• степень раскисления;
• область назначения.

Название и марка стали присваиваются сплаву в соответствие с его химическим составом. Но любая маркировка учитывает и другие показатели, приведенные выше. При этом марка стали несет в себе основную информацию, касаемо состава и свойств материала. Для маркировки углеродистых сталей используют две литеры и цифру. Число указывает на присутствие в составе углерода, а его значение выражается десятых долях процента.

У легированных сталей в маркировке содержаться дополнительные буквы, которые обозначают использованные при производстве присадки, влияющие на степень раскисления. Чтобы лучше ориентироваться в маркировках, существуют специальные таблицы.

Химический состав стали

В зависимости от химического состава углеродистые стали могут быть:

• низкоуглеродистыми. Углерод в составе сплава составляет не более 0,25%. Такие сплавы хорошо деформируются как в холодном, так и в горячем виде;
• среднеуглеродистыми. Доля углерода составляет порядка 0,3-0,6%. Эти составы отличает повышенная прочность, при хорошей пластичности и текучести;
• высокоуглеродистыми. Количество углерода варьирует от 0,6 до 1,4 %. Благодаря структуре, отличается повышенной плотностью и уникальными свойствами.

На однородность, хрупкость, прочность и вязкость сплава в большой степени влияет наличие в составе элементов, имеющих неметаллическую природу. Чтобы сделать структуру стали более мелкозернистой и уменьшить количество неметаллических примесей производят раскисление стали.

Классификация по степени раскисления

Раскисление – это вывод из жидкой стали кислорода. По степени раскисления стальные сплавы могут быть:

• спокойными. Для их раскисения применяется марганец, кремний или алюминий. Затвердевают такие сплавы без газовыделения (спокойно) и образовывают усадочную раковину в верхней части;
• полуспокойными. Их раскисление происходит поэтапно, сначала в печи и ковше. Затем процесс продолжается в изложнице, чему способствует содержащийся в составе углерод. Ликвация в слитках стали этого типа приближается к ликвации спокойных сталей;
• кипящими. Необходимой степени раскисления добиваются только марганцем. В составе высоко содержания кислорода, который в процессе затвердевания реагирует с углеродом, образуя углекислый газ. Пузыри газа выделяются с поверхности за счет чего создается ощущение кипения.

Кроме того, стали различаются:

• Качеством: обыкновенные, качественные, стали высокого качества, особовысококачественные.
• Способом производства: электросталь, мартеновская или конвертерная сталь.

Назначением: инструментальные, с особыми свойствами конструкционные.

Структурой. По структуре стали могут быть заэвтектоидными, доэвтектоидными или эвтектоидными.

Наглядно выразить состав углеродистой стали можно в следующей формуле:

УС = Fe + C + Si + Mn + S + Р

Железо (Fe) и углерод (С) здесь являются основными компонентами. При этом углерод оказывает непосредственное влияние на качественные характеритсики сплава. При увеличении содержания в сплаве этого элемента возрастает твердость и прочность в ущерб показателям пластичности и вязкости.

Кремний (Si), марганец (Mn), сера (S) и фосфор (P) относятся к постоянным примесям. При этом два последних компонента представляют собой вредные примеси и внедряются в состав в процессе плавки руды и топлива.

Попадая в расплав, сера не растворяется, а образует устойчивые соединения – сульфид железа, образующий, в свою очередь, эвтектику Fe - FeS. Это довольно вредное соединение, так как эвтектика имеет легкоплавкую структуру. Располагаясь вокруг зерен металла при ковке или горячем прокате она расплавляется, образуя пустоты, которые провидят к возникновению трещин – красноломкости. Исправить ситуацию можно введя в состав марганец.

При попадании в состав фосфора, образуются внутрикристаллические ликвации и снижается пластичность сплава. Под ликвацией понимается неоднородность химического состава сплава. Негативное влияние заключается в увеличении размера зерен, что приводит к повышению хрупкости металла, проявляющейся при обычных температурных условиях - хладноломкость.

Учитывая негативное влияние серы и фосфора на сплав, их присутствие в составе строго регламентировано и не должно превышать 0,05% от общей массы вещества. При этом для автоматных сталей с содержанием углерода не более 0,3% данные нормативы еще меньше: серы до 0,2%, фосфора не более 0,15%.

Из сталей такого типа изготавливают изделия, не подвергающиеся большим нагрузкам. В основном это крепежные элементы (болты, гайки, винты и др.), изготавливаемые в автоматическом режиме.

Содержание кремния и марганца также регулируется нормативами ГОСТа. Для марганца установлена норма 0,75%, для кремния - 0,35% от общей массы вещества. При таком количестве элементы не способны оказывать влияние на какие-либо характеристики сплава. Увеличение объема этих элементов приводит к изменениям в процессе обработки и эксплуатации. Поэтому стали с содержанием марганца и кремния свыше 1 %, причисляются к специальным.

Данные элементы вводят в состав для устранения закиси железа и повышения качества сплава. В профессиональной среде процесс называется раскислением стали. Удаление кислорода методом раскисления позволяет снизить хрупкость металла, проявляющуюся при обработке горчим методом.

Железо, используемое для производства стали бывает двух модификаций: α и γ. Вступая в химическую реакцию с углеродом, железо образует такие формы, как:

• цементит. Массовая доля углерода составляет 6,67%;
• аустенит. Отличается КГЦ-решеткой. Получается при смешении углерода с γ –железом;
• феррит. Обладает КОЦ – решеткой. Изготавливается путем смешения углерода с α –железом.

Конструкционные и инструментальные стали

Конструкционная разновидность стали используется в промышленности для изготовления надежных элементов различных конструкций, механизмов и деталей. Могут быть представлены обычными и качественными сталями. Качественные показатели стального сплава зависят от количества и состава примесей, в частности от массовой доли фосфора и серы.

Для сталей обыкновенного качества характерно содержание серы менее 0,055%, фосфора не больше 0,07%. Для качественных сталей этот показатель составляет 0,04% для обоих элементов.

Обыкновенные стали подразделяются на группы А, Б и В:

Группа А. В нее входят сплавы с маркировкой Cт 0, Cт 1 … Cт 6. Из сплавов этой группы изготавливают различные конструкции, арматуру, крепеж, запчасти для автопрома, на которые в процессе эксплуатации не оказывается сильное механическое или химическое воздействие. Также они не предназначены для горячей обработки.

Группа Б. К ней относятся стали с маркировкой: БСт 0, БСт 1… БСт б. Эти сплавы хорошо переносят горячую обработку, используются для создания кованых изделий или при штамповке. Чтобы верно рассчитать температурный режим обработки, необходимо знать химический состав сплава. Механические свойства этих сталей регламентации не подлежат, так как в процессе обработки остаются неизменными.

Группа В. Сварные стали, свойства которых зависят от химического состава сплава. К данной группе относятся с тали с маркировкой: ВСт 2 … ВСт 5.

Инструментальная служит для производства инструментов: режущих, измерительных, штамповых и т.п.

Качественные стали также могут иметь различные физико-химические характеристики, в зависимости от процентного соотношения марганца, входящего в состав сплава. Выделяют:

• нормальное содержание марганца в стальном сплаве до 0,8 %. Сталь 45;
• повышенное содержание марганца в стальном сплаве 0,8% - 1,2%. Сталь 15Г. Литера «Г» в маркировке указывает на повышенный процент марганца.

В зависимости от количества углерода в составе качественных конструкционных углеродистых сталей выделяют:

Низкоуглеродистые. Содержание С до 0,25%. К данному типу сталей относятся стали 05, 08,10, 15, 20,25.

Среднеуглеродистые. Процентное содержание С в общем сплаве составляет порядка 0,25% - 0.6%. Такими показателями обладают стали 30, 35, 40, 45, 50, 58, 60.

Высокоуглеродистые. Максимальное содержание С в составе сплава – более 0,6%. К высокоуглеродистым относятся стали 65, 70, 75, 80, 85.

Числовое значение в маркировке указывает на сотые доли углерода, входящего в состав сплава.

Расшифровка марок сталей обыкновенного качества

В маркировке группы А Cт – означает сталь, а числовое обозначение – номер марки. С возрастанием номера повышается и прочностный предел на растяжение:

Cт 1. Углеродистая сталь, конструкционного типа. Имеет обыкновенное качество и гарантированные механические свойства. Относится к группе А. Цифровое обозначение, в данном случае – 1, означает номер марки;

БСт 2 кп. Углеродистая сталь группы Б. Относится к конструкционному типу и имеет гарантированный химический состав и обыкновенное качество. Числовое обозначение (2) – является условным номером марки. Маркировка после номера обозначает степень раскисления. В данном случае «кп» – кипящая.

ВСт 4 пс. Углеродистая сталь конструкционного типа. Сплав обыкновенного качества, относится к группе Б, имеет гарантированные механические свойства и химический состав. Номер марки – 4. По степени раскисления «пс» относится к полуспокойным сталям.

Стали группы А всегда маркируются буквами Ст и не содержат литеры А. Числовой номер марки варьирует от 0 до 6.

Расшифровка марок качественных и конструкционных сталей

Читать маркировку на стальных заготовках и изделиях следует таким образом:

сталь 45. Углеродистая сталь с неграмотным содержанием марганца. Качественная, конструкционная. Содержание углерода в составе сплава составляет 0,45%;

сталь 65Г. Высокоуглеродистая сталь с содержанием С 0,65%. Литера Г говорит о повышенном содержании марганца – более 1%. Сталь углеродистая, конструкционная, качественная.

По качественным характеристикам такие стали подразделяют на качественные (марки У7… У13) и высококачественные (марки У1А … У13А). В последних максимально допустимое значение содержания серы и фосфора 0,03%. Числа в маркировке данных сталей определяют процент содержания углерода в десятых долях. Например, У8 – качественная инструментальная сталь с содержанием углерода 0,8%. Литера У – читается, как углеродистая, инструментальная. Литера А указывает на высококачественную сталь.

Применение инструментальных углеродистых сталей

Чем выше процент углерода в стальном сплаве, тем больше значение твердости и, вместе с тем хрупкости металла. Стальные сплавы с низким содержанием С хорошо подходят для создания инструментов, в работе которых превалируют ударные технологии (пригодны для изготовления матриц, кувалд, слесарных молотков, пуансонов, клейм и др.

Стальные сплавы с высоким процентом С в составе используются для изготовления резцов, метчиков, фрез, напильников, разверток и т.д.

Кипящая сталь

Благодаря особой технологии изготовления, производство кипящих сталей позволяет получить годный металл с минимальным количеством отхода. Отсутствие в составе сплава Si (который необходим для получения сталей с высокой степенью раскисления), делает его пластичным. Поэтому, работая с данным типом стали применяют метод глубокой вытяжки. Кипящие стали доводят до степени раскисления, при которой доля кислорода в сплаве составляет 0,02-0,04%, а затем выливают слитки. Себестоимость кипящей стали (кп) ниже, чем у спокойной и полуспокойной. Снижение затрат достигается за счет минимального количества, вводимого в сплав раскислителя, а также благодаря сохранности верхней части слитка, которая не отправляется в лом. Кипящую сталь используют при изготовлении труб, листов, сортового проката, плит и проволоки и т.п.

Спокойная сталь

Это тип углеродистой, конструкционной стали с высокой степенью раскисления, которую получают вводя в состав алюминий, кремний и марганец. Уровень кислорода в ней максимально снижен, поэтому в ходе обработки не образовывается углекислого газа. Благодаря высокой степени раскисления сталь выделяется более плотной структурой, не дает отрицательных реакций при сваривании, устойчива к старению. В первую очередь степень раскисления влияет на однородность состава, а это в свою очередь, повышает пластичность материала и устойчивость к коррозийным процессам.

Однако, чтобы добиться высокой степени раскисления в состав сплава вводится больше элементов, что удорожает процесс производства и себестоимость продукции в целом. Сталь с высокой степенью раскисления относится к самым дорогим и используется для:

• изготовления заготовок деталей трубопровода;
• детали для железнодорожного полотна;
• листовой прокат;
• фасонный прокат и др.

Полуспокойная сталь

По степени раскисления полустойкие стали занимают промежуточное звено между кипящими и спокойными стальными сплавами. В их составе достаточно кислорода для образования и выделения углекислого газа. Однако свойства пластичности твердости при такой степени раскисления стали выражены недостаточно ярко. Затвердевание происходит без кипения, но структура сплава и химический состав неоднородны.

Полустойкую сталь получают методом переплавки (как и кипящую сталь с низкой степенью раскисления), а затем продолжают раскиление в ковше. Чтобы добиться необходимой степени раскисления в состав сплава вводят Si и Al. Из данного вида стали изготавливают: трубный прокат, круги, уголки, листовой прокат, шестигранники, закладные детали и т.д.

Сталь является самым важным металлическим материалом, широко применяемом в промышленности и быту. Стальные элементы, отличающиеся высокой прочность используют при изготовлении и сборке автомобилей, инструментов, приборов различного назначения.

Востребованность стали объясняется также приемлемой стоимостью и возможностью производства крупными партиями. При этом постоянно совершенствуется технология изготовления сплавов, становящихся еще более надежными и способными выдерживать большие нагрузки.