Что за сплав эта сталь? Учебно-методическое пособие

Сталь. Определение

• Сталь - слово (Stahl) происходит от немецкого языка — это сплав железа (Fe) и углерода (C), где содержание углерода варьируется от 0,02% до 2,14%. Именно углерод придает сплаву высокую прочность и твердость, но при этом снижает пластичность. Помимо основных компонентов, в состав стали могут входить легирующие элементы (хром, никель, марганец, молибден и др.), которые улучшают её свойства: устойчивость к коррозии, износостойкость, жаропрочность. Например, добавление хрома более 10,5% превращает сталь в нержавеющую, способную сопротивляться окислению даже в агрессивных средах.
  Интересно, что температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) стали меняется в зависимости от температуры. При нагреве до 100°C он составляет 10–18×10⁻⁶/°C, а при 900–1000°C увеличивается до 24,6×10⁻⁶/°C. Это свойство учитывается в строительстве и машиностроении, где температурные деформации могут повлиять на целостность конструкций.

Легированная сталь и её значение

• Сталью также называют высоколегированные сплавы. Легирование — это процесс добавления в сплав активных компонентов, чаще всего неметаллов или металлов, которые усиливают необходимые производителю свойства и повышают качество материала. Например, легирование может улучшить устойчивость стали к высоким температурам, повысить её ударопрочность или коррозионную стойкость. В сталях с высоким уровнем легирования доля железа может составлять всего 45%, а остальную часть занимают углерод и легирующие добавки, такие как хром, никель, молибден и другие. Состав сплава напрямую влияет на его назначение и область применения.
• Сталь занимает лидирующее место среди сплавов чёрной металлургии. Основная причина этого — практически бесконечный цикл её использования. Материал отличается высокой прочностью и надёжностью, что позволяет использовать даже самые ранние марки стали, изготовленные в мартеновских печах, в различных отраслях промышленности. При этом многие из таких сталей сохраняют свои свойства практически без изменений на протяжении десятилетий.

Производство стали

• Практически все индустриальные и промышленные страны занимаются производством стали, однако лидером мирового рынка является Китайская Народная Республика (КНР). Китай производит примерно половину всех стальных изделий в мире, ориентируясь преимущественно на выпуск бюджетных стальных материалов. В России лучший металлопрокатный завод входит в число 15 наиболее влиятельных компаний мира в этой отрасли. Существует три основных способа обработки стали, которые определяют её свойства:

1. Термический метод. Этот метод включает следующие процессы:

• Отжиг — нагрев стали с последующим медленным охлаждением. Процесс проводится для разных видов стали с различной скоростью охлаждения.
• Закалка — нагрев стали выше критической температуры, что вызывает перекристаллизацию сплава, с последующим быстрым охлаждением. Прокаливаемость стали — это её способность приобретать мартенситную структуру в поверхностном слое при закалке.
• Отпуск — процедура, проводимая после закалки с целью уменьшения внутренних напряжений в сплаве.
• Нормализация — процесс, аналогичный отжигу, но охлаждение проводится не в печи, а на воздухе.

2. Термомеханический метод. Этот метод включает:

• Высокотемпературная термомеханическая обработка (ТМО) — процесс, при котором закалка, наклеп и упрочнение выполняются сразу после нагрева, пока сплав сохраняет аустенитную структуру. Пластическая деформация, возникающая при прокатке или штамповке, сохраняется на 70% даже после охлаждения, что делает сталь более прочной.
• Низкотемпературная ТМО — обработка холоднокатаной стали. Сплав нагревают до аустенитного состояния, затем охлаждают ниже температуры рекристаллизации (в пределах 400–600 °C), чтобы добиться появления мартенситной фазы. После этого проводится закалка, наклеп и прокатка. Эффект упрочнения полностью сохраняется после охлаждения.

3. Термохимический метод. Термохимическая обработка представляет собой нагрев сплавов и выдержку в определённых химических средах:

• Цементация — насыщение поверхности сплава углеродом для получения износостойкого верхнего слоя.
• Азотирование — насыщение стали азотом с целью создания износостойкого верхнего слоя. По сравнению с цементацией, азотирование обеспечивает более высокую коррозионную стойкость.
• Нитроцементация и цианирование — насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом. Эти процессы отличаются более высокой скоростью и производительностью.

Перечисленные этапы обработки определяют структуру, состав и свойства стали. Производство стали осуществляется двумя основными способами:

• Конвертерный процесс — расплавленный передельный чугун в конвертере очищают от примесей, продувая его кислородом.
• Подовый процесс — для его реализации используют мартеновские или электрические печи.

*Характеристики стали и её состав регламентируются государственными стандартами (ГОСТ).

Виды стали

• Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, при этом содержание углерода в сплаве не превышает 2,14%. Углерод придаёт стали твёрдость, но его избыток делает металл слишком хрупким, снижая пластичность и ударопрочность. В зависимости от состава, свойств и назначения сталь классифицируют по нескольким основным признакам:

1. По содержанию углерода:

• Низкоуглеродистая сталь (до 0,25% углерода) — отличается высокой пластичностью и хорошей свариваемостью, но имеет меньшую твёрдость. Используется, например, для производства конструкционных элементов.
• Среднеуглеродистая сталь (0,25–0,6% углерода) — обладает сбалансированными характеристиками твёрдости и пластичности. Применяется в машиностроении и строительстве.
• Высокоуглеродистая сталь (0,6–2,14% углерода) — характеризуется высокой твёрдостью и износостойкостью, но низкой пластичностью. Используется для изготовления режущих инструментов и пружин.

2. По степени легирования:

• Углеродистая сталь — содержит только железо, углерод и незначительное количество примесей. Применяется в общем машиностроении и строительстве.
• Легированная сталь — включает добавки легирующих элементов (хром, никель, молибден и др.), которые улучшают её свойства, такие как коррозионная стойкость, жаропрочность или прочность.

3. В зависимости от содержания легирующих элементов выделяют:

• Низколегированную сталь (до 2,5% легирующих элементов).
• Среднелегированную сталь (2,5–10% легирующих элементов).
• Высоколегированную сталь (более 10% легирующих элементов).

4. По назначению:

• Конструкционная сталь — используется для создания деталей машин, строительных конструкций и механизмов.
• Инструментальная сталь — применяется для производства режущих, ударных и измерительных инструментов.
• Специальная сталь — обладает особыми свойствами, например, коррозионной стойкостью (нержавеющая сталь) или жаропрочностью (жаропрочная сталь).

5. По качеству (зависит от содержания вредных примесей, таких как сера и фосфор):

• Сталь обыкновенного качества — содержит больше примесей, используется в некритичных конструкциях.
• Качественная сталь — имеет меньшее количество примесей, применяется в более ответственных узлах.
• Высококачественная сталь — отличается минимальным содержанием примесей и высокой чистотой сплава.

Маркировка стали

• Маркировка стали необходима для идентификации и классификации стальных изделий. Она отражает ключевые характеристики сплава, такие как химический состав, область применения, свойства и качество. Знание маркировки обязательно для специалистов, работающих с металлами на производственных предприятиях. Кроме того, разбираться в маркировке важно и заказчикам, которые выбирают сталь по качеству для изготовления промышленного оборудования и других ответственных конструкций.
• Маркировка стали – это условное обозначение, отражающее тип сплава и его важнейшие характеристики. Основная цель маркировки – предоставить краткую информацию об особенностях стали, чтобы предотвратить ошибки при выборе и использовании. Стальные изделия широко применяются в различных отраслях промышленности, и правильная маркировка позволяет избежать использования материалов, не соответствующих требованиям, что, в свою очередь, может привести к преждевременному выходу оборудования из строя.
• Особое значение имеет химический состав и структура стали. Для легированных сталей этот аспект маркировки является первостепенным. Система маркировки сталей, в зависимости от легирующих элементов и технологии производства, обычно представлена в виде таблиц и справочников, где каждому элементу соответствует определенное буквенное обозначение.
• В России используется буквенно-цифровая система по ГОСТ: А – азот (указывается в середине марки), Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий, Ч – редкоземельные.

Структура

• Легированные конструкционные стали: 30Х2МА
• Легированные инструментальные стали: 9ХС, ХВГ
• Быстрорежущие инструментальные стали: Р5М3
• Шарикоподшипниковые стали: ШХ6, ШХ15ГС

Расшифровка

• Первая цифра — содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 45 содержит 0,45% C.
• Буквы — легирующие элементы: Х — хром, Н — никель, Г — марганец, С — кремний.
• Цифры после букв — процент легирующего элемента. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит 0,12% C, 18% Cr, 10% Ni и до 1,5% Ti.
• Важно! Маркировка может включать дополнительные символы: К — качественная сталь (например, 20К — для котлов высокого давления), Ш — особовысококачественная (ШХ15 — подшипниковая сталь).

Примеры маркировок:

• Ст3 — углеродистая сталь обыкновенного качества (0,14–0,22% C). Используется в строительных конструкциях.
• 40ХН — конструкционная легированная сталь (0,4% C, 1% Cr, 1% Ni). Применяется для валов и шестерен.
• Р6М5 — быстрорежущая сталь (0,9% C, 6% W, 5% Mo). Идет на изготовление сверл и фрез.

 

 

Качество стали определяется её способностью сохранять заданные свойства в условиях эксплуатации. Ключевые факторы, влияющие на качество:

• Содержание вредных примесей (сера, фосфор, газы);
• Технология производства (метод раскисления, обработка в вакууме);
• Однородность структуры (отсутствие пор, трещин, неметаллических включений).

1. Существуют способы повышения качества стали. Качество стали напрямую зависит от содержания вредных примесей, газов и неметаллических включений. Для улучшения свойств металла применяются современные технологии, такие как:

• обработка синтетическим шлаком;
• вакуумная дегазация;
• электрошлаковый переплав (ЭШП);
• вакуумно-дуговой переплав (ВДП);
• переплав в электронно-дуговых и плазменных печах.

1.1. Вакуумная дегазация, её цель: уменьшение содержания газов (водорода, азота) и неметаллических включений.

• Процесс:

• Вакуумирование - ковш с жидкой сталью помещают в герметичную камеру, где создают разрежение до 0,267–0,667 кПа. При понижении давления из металла выделяются газы, которые захватывают неметаллические включения. 
• Наиболее полно удаляется водород – виновник многих дефектов, особенно таких опасных, как ФЛОКЕНЫ – мелкие трещины, расходящиеся от центра в виде лепестков цветка, отчего они и получили такое название.
• Результат. Снижение содержания водорода до 0,0001%; уменьшение количества неметаллических включений на 30–50%; повышение ударной вязкости на 15–20%.

1.2. Электрошлаковый переплав (ЭШП). Получение высококачественных сталей для подшипников и жаропрочных сплавов.

• Процесс:

• Переплавляемый электрод (1) погружается в шлаковую ванну (3).
• Электрический ток нагревает шлак до 1700°C, вызывая оплавление электрода.
• Капли металла проходят через шлак, очищаясь от серы и неметаллических включений.
• Металлическая ванна (4) формируется в слиток (5) в водоохлаждаемом кристаллизаторе (2).
• Результат. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, Высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения, массой до 110 тонн.

1.3. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП). Удаление газов и неметаллических включений.

• Процесс:

• Расходуемый электрод (3) закрепляется на водоохлаждаемом штоке (2).
• В корпусе печи (1) создается вакуум (до 0,00133 кПа).
• Дуга между электродом и затравкой (8) расплавляет металл.
• Капли металла (4) дегазируются в зоне дугового разряда и формируют слиток (7) в медной изложнице (6).
• Результат: высокая равномерность химического состава; повышенные механические свойства. Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Изготавливают детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 тонн.

Сравнение методов

• Интересный факт: Слитки, полученные методом ЭШП, могут достигать массы 110 тонн, что делает их идеальными для крупногабаритных конструкций, таких как корпуса реакторов или роторы турбин.

Назначение стали

• Сталь классифицируется по назначению на три основных вида: конструкционные, инструментальные и специальные. Каждый из этих типов имеет свои особенности, состав и область применения.

1. Конструкционные стали

• Конструкционные стали используются для создания металлоконструкций, деталей машин и оборудования. Они могут быть как углеродистыми, так и легированными. Основное требование к таким сталям — соответствие физико-химическому составу, необходимому для конкретных условий эксплуатации.
• То технологии производства. Классификация конструкционных сталей: штампуемые; литейные; свариваемые.
• По назначению: Шарикоподшипниковые (например, ШХ15); Строительные (Ст3, 09Г2С); Электротехнические (Э12, Э42).

2. Специальные стали

• Специальные стали легируются для придания уникальных свойств, таких как жаростойкость, коррозионная стойкость или магнитные характеристики.
• Основные группы специальных сталей: коррозионностойкие (нержавеющие) одержат не менее 13% хрома; жаростойкие - легируются хромом (до 17%); магнитные и электротехнические, содержат кремний, алюминий, никель.
• Особенности специальных сталей: высокая доля легирующих элементов (до 50%); устойчивость к экстремальным условиям (температура, коррозия, радиация); использование редких металлов (никель, кобальт, вольфрам).

3. Инструментальные стали

• Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, штамповых и измерительных инструментов. Они должны обладать высокой прочностью, износостойкостью и устойчивостью к высоким температурам.
• Классификация инструментальных сталей: Углеродистые (например, У7, У10А); Легированные (например, Х12МФ, Р6М5) 
• Особенности инструментальных сталей: высокая твердость (до 65 HRC); устойчивость к износу и деформации; способность сохранять свойства при нагреве до 600°C.

Способ раскисления стали

• Раскисление — это процесс удаления кислорода из металла, используемого для производства стали. Кислород попадает в сталь во время плавки сырья и ухудшает её свойства, вызывая хрупкость и снижение прочности. Раскисление также помогает удалить другие вредные примеси, такие как азот и водород, которые негативно влияют на качество металла.

Классификация стали по способу раскисления.

• В зависимости от степени удаления кислорода сталь делится на три группы:

Кипящие стали

• Особенности: Низкоуглеродистые стали (до 0,25% C).
• Процесс раскисления: Используется только марганец. В процессе выделяется большое количество газов, создавая эффект "кипения".
• Свойства: Высокая пластичность, но низкая прочность.
• Применение: Листовой прокат для штамповки (например, автомобильные кузова).

Спокойные стали

• Особенности: Углеродистые и низколегированные стали.
• Процесс раскисления: Используются марганец, кремний и алюминий. Кислород полностью удаляется, процесс проходит без "кипения".
• Свойства: Высокая прочность, однородность структуры.
• Применение: Ответственные конструкции (мосты, суда, детали машин).

Полуспокойные стали

• Особенности: Промежуточный вариант между кипящими и спокойными сталями.
• Процесс раскисления: Используются марганец и алюминий. Выделение газов умеренное.
• Свойства: Баланс прочности и пластичности.
• Применение: Трубы, строительные конструкции.

Металлы для раскисления. Для удаления кислорода используются следующие элементы:

• Марганец (Mn); Кремний (Si); Алюминий (Al)

Технология производства стали

• При рассмотрении технологии производства стали важно учитывать, какой вид изделия требуется. Основные методы были предложены ещё в XIX веке и до сих пор лежат в основе современных процессов.

1. Бессемеровский процесс

• Технология заключается в обработке жидкого чугуна путём продувки сжатым воздухом, обогащённым кислородом. В результате окисления примесей (кремния, марганца, углерода) температура плавления повышается, но сплав сохраняет жидкое состояние.

 

2. Томасовский процесс

• Томасовский процесс — это метод производства стали, разработанный для переработки чугуна с высоким содержанием фосфора (до 2%). Этот процесс стал усовершенствованной версией бессемеровского, но с использованием основной футеровки и добавления извести для связывания фосфора.

3. Мартеновская печь

• Мартеновская печь — это одна из ключевых технологий производства стали, разработанная Пьером Мартеном в 1864 году. Несмотря на появление более современных методов, эта технология до сих пор используется в некоторых регионах благодаря своей универсальности и возможности переработки металлолома. Мартеновская печь работает на основе регенерации тепла, что позволяет достичь высокой температуры плавки и эффективно использовать топливо. Процесс работы печи можно разделить на несколько этапов:

С использованием специальных элементов улучшаются характеристики стали. Для обозначения уникальных свойств металла чаще всего применяются международные маркировки, представленные ниже:

• Таблица 1. Маркировка сталей, устойчивых к появлению ржавчины

• Таблица 2. Маркировка стали по принципу содержания примесей для жаропрочности

• Таблица 3. Маркировка стали быстрорежущей

• Таблица 4. Маркировка конструкционных сталей

• Таблица 5. Маркировка основных типов сталей

• Таблица 6. Маркировка рессорно-пружинной стали

• Таблица 7. Маркировка стали, устойчивой к воздействию высоких температур

 

Маркировка стали: как читать обозначения

• Для новичков маркировка стали может казаться запутанной, но на самом деле она логична и систематизирована. Разберем ключевые символы, используемые в российских стандартах (ГОСТ), и их практическое значение.

Ш — подшипниковые стали.

• Пример: ШХ15 — сталь содержит 1,5% хрома. Используется для шариков и роликов подшипников.
• Цифра после «Ш» указывает на содержание хрома в десятых долях процента.

К— конструкционные стали для котлов и сосудов высокого давления.

• Пример: 20К — низколегированная сталь с 0,20% углерода. Выдерживает температуру до 475°C.

Л — литейные стали.

• Пример: 35Л — углеродистая сталь для литья деталей с содержанием 0,35% C.

У — инструментальные углеродистые стали.

• Пример: У8А — сталь с 0,8% углерода («А» означает повышенное качество). Идет на молотки, зубила.

Р — быстрорежущие стали.

• Пример: Р6М5 — содержит 6% вольфрама и 5% молибдена. Используется для сверл и фрез.

Маркировка строительных сталей. Строительные стали маркируются буквой С (строительная) и дополнительными символами:

• Ст — сталь обыкновенного качества. Цифра после «Ст» (от 0 до 6) указывает на прочность:
• Ст3 — самая распространенная марка для балок и арматуры.
• Ст0 — низкокачественная, применяется для неответственных конструкций.

Суффиксы, обозначающие степень раскисления:

• кп — кипящая сталь (минимальная очистка от кислорода).
• пс — полуспокойная.
• сп — спокойная (полное раскисление, высшее качество).

Дополнительные символы для специализированных сталей:

• Т — термоупрочненный прокат (например, С345Т).
• К — коррозионностойкая (например, С390К для мостов).
• Д — с добавкой меди (С375Д для эксплуатации в агрессивных средах).

Примеры расшифровки

• 09Г2С - 0,09% C; Г2 — 2% марганца; С — до 1% кремния.
• 40ХН2МА  - 0,40% C; Х — 1% хрома; Н2 — 2% никеля; М — молибден; А — высококачественная.

В таблице ниже систематизированы основные марки сталей, их состав и области применения. Это поможет быстро сопоставить обозначения с реальными свойствами материалов.

• Таблица 8. Маркировка низколегированной стали с тонкими широкополосными пластинами (универсальный тип)

• Таблица 9. Маркировка легированной конструкционной стали

• Таблица 10. Маркировка стали, устойчивой к возникновению коррозии

• Таблица 11. Маркировка инструментальной легированной стали

• Таблица 12. Маркировка быстрорежущей стали - применение

• Таблица 15. Маркировка коррозионностойкой стали

• Таблица 16. Маркировка конструкционной легированной стали

• Таблица 17. Маркировка углеродистой качественной сталиМаркировка углеродистой качественной стали

 

Кроме перечисленных выше, следует отметить следующие типы сталей (ШХ15, 65Г, У8А)

• Таблица 18. Маркировка углеродистой качественной сталиМаркировка углеродистой качественной стали

Качество стали напрямую зависит от технологий, применяемых на базах. Например, Урал активно использует электропечи для переработки лома, что снижает себестоимость, а Сибирь фокусируется на доменном производстве из-за доступности коксующегося угля. Российская Федерация располагает тремя ключевыми металлургическими базами, каждая из которых играет уникальную роль в производстве и распределении стальной продукции:

• Уральская металлургическая база. Крупнейшая в стране, на её долю приходится около 40% всего производства стали. Здесь расположены гиганты отрасли — Магнитогорский металлургический комбинат (ММК) и Нижнетагильский завод. Урал специализируется на выпуске высококачественных легированных сталей, включая инструментальные и нержавеющие марки. Это обусловлено близостью к месторождениям хромитов (Сарановское) и никеля (Уфалей).
• Центральная металлургическая база. Основные мощности сосредоточены в Липецкой (НЛМК) и Тульской областях. База использует железную руду Курской магнитной аномалии (КМА), где сосредоточено 60% российских запасов железа. Преимущество — производство стали для строительства (арматура, балки) и машиностроения. Однако руды КМА содержат повышенное количество фосфора, что требует дополнительного рафинирования.
• Сибирская металлургическая база. Включает предприятия Кузбасса (Западно-Сибирский металлургический комбинат) и Красноярского края. Сырьевая база — железные руды Горной Шории и уголь Кузнецкого бассейна. Акцент делается на выпуске конструкционных сталей для тяжелой промышленности и труб большого диаметра (например, для газопровода «Сила Сибири»).

Виды стали по месту добычи сырья. Интересный факт: сталь, произведенная из уральской руды, на 15% устойчивее к ударным нагрузкам благодаря микродобавкам меди, попадающим в сплав из местных руд. География добычи железной руды в России определяет химический состав стали, а именно:

• Курская магнитная аномалия (КМА). Руда содержит 55–60% железа, но имеет примеси фосфора (0,1–0,3%) и серы. Сталь из КМА требует глубокой очистки, зато подходит для массового производства арматуры и листового проката.
• Уральские месторождения (Качканар, Высокогорское). Богаты титаном и ванадием. Эти элементы естественным образом легируют сталь, повышая её жаропрочность. Такие марки используются в авиационных двигателях и турбинах.
• Сибирские рудники (Абаканское, Коршуновское). Содержат марганец (до 2%), что улучшает прокаливаемость. Из этой руды изготавливают рельсы и броневые плиты.