Сталь: классификация, обработка, основные типы

Сталь — это сплав железа (не менее 45%) с углеродом (не более 2,14%) и другими химическими элементами.

Классификация сталей

Стали классифицируют по назначению для дальнейшего использования, химическому составу, качеству, структуре.

По назначению стали принято делить на конструкционные, коррозионно стойкие (нержавеющие), инструментальные, жаропрочные, криогенные.

• Легированная — сталь содержащая специально вводимые, в определённых количествах, элементы, которые обеспечивают требуемые физические или механические свойства. Эти элементы называются легирующими. Как правило, легирование повышает прочность, коррозийную стойкость стали, понижают хрупкость. Легированную сталь по степени легирования разделяют на: низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %); среднелегированную (от 2,5 до 10 %); высоколегированную (от 10 до 50 %).
• Конструкционная — сталь применяемая при изготовлении различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве, обладающая определёнными механическими, физическими и химическими свойствами.
• Нержавеющая — легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.
• Инструментальная углеродистая — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Она отличается высокой твёрдостью и прочностью и применяется для изготовления инструмента.
• Жаропрочная — это вид стали, который подлежит эксплуатации при высоких температурах (от 30% от температуры плавления).

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали по уровню содержания углерода, в свою очередь, делятся на: низкоуглеродистые (процент содержания углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3–0,55%) и высокоуглеродистые (0,6–2 %). Углерод придаёт сплавам из железа дополнительную прочность и твёрдость, но, при этом, понижая их пластичность и вязкость.

Углеродистая сталь обыкновенного качества

Углеродистая сталь обыкновенного качества содержит углерод в пределах 0,06–0,49%. К этой группе относятся следующие марки стали: Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст0. По химическому составу данный тип стали должен соответствовать ГОСТ 380-94, а производимый из нее металлопрокат должен соответствовать общим техническими условиями ГОСТ 535-2005.

Чаще всего для изготовления металлопродукции используется сталь марки Ст3сп/пс1-5: из нее изготавливается сортовой, фасонный, листовой и рулонный прокат, а также горячекатаные трубы.

Качественная углеродистая сталь

Низкоуглеродистая качественная конструкционная сталь (марки 08, 08кп, 08пс) — используется при изготовлении листового проката. Это мягкая сталь, и она легко обрабатывается штамповкой, давлением, профилированием.

Качественная конструкционная сталь (марки 10, 15, 20, 25) — используется при изготовлении стальных труб, в машиностроении. Она обладает более высокой прочностью и коррозеустойчивостью по сравнению с маркой Ст3.

Твердая качественная сталь (марки 30, 35, 40, 45) — используется в машиностроении при изготовлении сильно нагруженных деталей машин. Эти марки стали обладают высокой износостойкостью и еще более устойчивы к коррозии.

Для улучшения характеристик сталей применяют ее легирование. Цели легирования — это повышение: прочности, устойчивости против коррозии, термостойкость, жаропрочность и т.д.

Легирование — это процесс добавление в состав материалов примесей, вводимых для изменения свойств основного материала.

Легированные стали по уровню содержания легирующих элементов делятся на низколегированные (до 4%), среднелегированные (до 11%) и высоколегированные (более 11%).

Стали, в зависимости от технологии их производства, могут содержать разное количество примесей.

Уровень содержания примесей определят (классифицирует) качество стали: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре стали разделяются на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную и двухфазную и многофазную.

Производство стали заключается в переработке чугуна, при котором в чугуне уменьшается концентрация углерода и других ненужных примесей.

Физические и химические свойства стали определяется ее составом и структурой, которые зависят от присутствия и процентного содержания следующих основных составляющих:

• Углерод — элемент увеличение содержания которого увеличивает твердость и прочность стали уменьшая ее пластичность.
• Сера — вредная примесь, которая влияет на ломкость стали, уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.
• Фосфор — вредная примесь, которая влияет на хладноломкость (хрупкость при пониженных температурах) стали.
• Феррит — примесь, которая придает стали мягкость и пластичность.
• Цементит — примесь, которая придает стали твердость и хрупкость.
• Кремний и марганец, при процентном содержании порядка 0,5–0,7% значимого влияния на свойства стали не оказывают.

Не прошедшая обработку сталь очень пластична, её можно обрабатывать путем деформирования: ковка, вальцовка, штамповка.

Обработка стали

Термическая обработка стали

Важной особенностью стали является её способность изменять свои механические свойства после термической обработки. В результате термической обработки стали, при ее нагреве, выдержке и охлаждении по специальным режимам, происходит изменение ее структуры.
Выдкляют следующие виды термической обработки:

• Отжиг стали — заключается в нагреве стали до определённой температуры, выдержке, при этой температуре, в течение определенного времени и последующем охлаждении до окружающей температуры.
• Нормализация стали — процесс аналогичный отжигу, разница заключается в температуре до которой нагревается сталь и времени выдержки. В результате нормализации сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру, а ее твердость и прочность повышается на 10-15%, чем после отжига. Иногда нормализацию используют для подготовки стали к закалке.
• Закалка стали — вид термической обработки стали, заключающийся в ее нагреве выше температуры изменения типа кристаллической решетки (критической температуры) с последующим быстрым охлаждением. Сталь, прошедшая закалку, приобретает большую твердость, но становится более хрупкой и менее пластичной. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки применяют отпуск.
• Отпуск стали — процесс, заключающийся в термической обработке закалённого сплава или металла, при которой основными процессами являются полигонизация и рекристаллизация. Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости стали при сохранении приемлемого уровня его прочности. Для этого изделие подвергается нагреву с последующим медленным остыванием.

Чем больше содержание углерода в стали, тем тверже она после термической обработки.

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали приводит к изменению химического состава ее поверхностного слоя путем добавления различных химических веществ до определенной глубины поверхностного слоя. Цели, наиболее часто, преследуемые при данном типе обработки стали это:

• повышение твердости поверхности при высокой вязкости сердцевины;
• уменьшение сил трения;
• повышения износостойкости;
• повышения устойчивости к усталости;
• улучшения коррозионной стойкости.

Основные технологии химико-термической обработки стали:

• Цементация (C) — увеличивает твердость поверхности мягкой стали из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.
• Азотирование (N) — увеличивает поверхностную твердость и износостойкость стали.
• Цианирование и нитроцементация (N + C) — одновременное насыщение поверхности сталей углеродом и азотом. После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск стали.
• Сульфатирование (S) — насыщение поверхности серой улучшает приработки трущихся поверхностей деталей, уменьшается коэффициент трения.

Сертификация продукции изготавливаемой из стали

Продукция изготавливаемая из стали (металлопрокат) подлежит обязательной сертификации.
Металлопрокат может изготавливаться из чёрной, легированной, нержавеющей сталей, а также меди, алюминия и других металлов.

Использование определенных типов стали при изготовлении изделий из стали регламентируется соответствующими ГОСТам или ТУ и определяется последующими условиями применения металлопроката.

Сертификат качества оформляется предприятием-изготовителем и удостоверяет соответствие продукции действующим нормативам: ГОСТам или ТУ.

Сертифицируются следующие параметры:

• Сортамент: размеры, длина, допустимая кривизна и т.д.
• Химический состав стали;
• Технические условия: механические свойства, отделка поверхности, тип и структура стали и т.д.