Что такое конструкционная сталь

Обновлено: 16.05.2024

Углеродистой или, как ее еще называют, углеродной сталью называется инструментальная или конструкционная сталь, не содержащая легирующих добавок. Углеродистая сталь подразделяется на низкоуглеродистую (до 0,25% углерода), среднеуглеродистую (от 0,25 до 0,6% углерода) и высокоуглеродистую (до 2% углерода).

Данный сплав нуждается в термической обработке, после которой становится достаточно твердым и прочным чтобы выдерживать достаточные нагрузки в ответственных узлах. Сплав применяется в производстве инструмента. Углеродистая сталь классифицируется как:

обычного качества;
качественная, содержит до 0,035% фосфора и серы;
высококачественная, содержит до 0,025% фосфора и серы.

Углеродистая сталь благодаря доступной стоимости и высоким прочностным характеристикам относится к широко распространенным сплавам, легко поддается обработке с высокой свариваемостью. Из таких сталей, состоящих из железа и углерода и минимума других примесей, изготавливают различную машиностроительную продукцию, детали котлов и трубопроводов, инструменты высокого качества, проволоку. Широкое применение эти сплавы находят и в строительной сфере. Конкурентом по химическому составу обычной углеродистой черной стали считается нержавеющая сталь, алюминий.

Углеродистые металлы основа для легированных сталей. Легирующие элементы вводятся в состав сталей с целью улучшения ее механических свойств и повышения устойчивости к коррозии. Например, марганец, хром и другие имеют влияние на характеристики. Используя легирующие добавки изменяют физические и химические свойства сплава. Процесс введения легирующих элементов называется легированием. Изготовление из углеродистого сплава легированного подразумевает подсчет количества содержания элементов. Их должно быть не меньше 1%, чтобы они влияли на характеристики. Точные соотношения с содержанием для конструкционных сплавов и инструментальных прописаны в ГОСТ.

Что собой представляют углеродистые стали

Углеродистые стали в зависимости от основной сферы применения подразделяются на:

обыкновенные углеродистые стали
конструкционные сплавы
инструментальные сплавы (популярное решение для производства инструмента)

Характеристики обыкновенной уступают конструкционной углеродистой стали в прочности. Конструкционная сталь по характеристикам хуже инструментальной. Это объясняется процессом изготовления, в металле для инструментов меньше воздуха. В последующих пунктах разберем подробнее процесс изготовления.

Они не содержат в своем составе легирующих добавок. От обычных стальных сплавов эти стали также отличает и то, что в их составе содержится значительно меньшее количество таких базовых химических примесей, как марганец, магний и кремний.

Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Поэтому они подразделяются:

высокоуглеродистая сталь содержит в своем составе 0,6–2% углерода;
среднеуглеродистые стали – содержание углерода 0,3–0,6%;
низкоуглеродистые стальные сплавы – содержание до 0,25%.

Данный элемент определяет не только свойства углеродистых сталей, но и их структуру. Так, внутренняя структура стальных сплавов, содержащих в своем составе менее 0,8% углерода, состоит преимущественно из феррита и перлита, при увеличении концентрации углерода начинает формироваться вторичный цементит.

Углеродистые стали с преобладающей ферритной структурой отличаются высокой пластичностью и низкой прочностью. Если же в структуре стали преобладает цементит, то она характеризуется высокой прочностью, но вместе с этим является и очень хрупкой. При увеличении количества углерода до 0,8–1% прочностные характеристики и твердость углеродистой стали возрастают, но значительно ухудшаются ее пластичность и вязкость.

Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси. Элементы: кремний, марганец, фосфор, серу, азот, кислород и водород. Часть этих примесей, такие как марганец и кремний, являются полезными, их вводят в состав стали на стадии ее выплавки для того, чтобы обеспечить ее раскисление. Сера и фосфор – это вредные примеси, которые ухудшают качественные характеристики стального сплава.

Хотя считается, что углеродистые и легированные стали несовместимы, для улучшения их физико-механических и технологических характеристик может выполняться микролегирование. Для этого в углеродистую сталь вводятся различные добавки: бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы. При помощи таких добавок не получится сделать нержавейку, но можно заметно улучшить свойства.

Состав

Для плавки стали используется углерод и дополнительные элементы. В зависимости от будущего назначения сплава к материалу предъявляются определенные требования к качеству: твердость, пластичность, текучесть и т.д. Корректировку этих параметров можно осуществлять с помощью изменения % содержания углерода. Его процентное соотношение к общему объему является одним из основных условий разделения стали на виды.

Их отличительные качества и особенности описаны в нормативных документах:

Обыкновенного качества – ГОСТ 380-85
Конструкционная – ГОСТ 380-88
Инструментальная – ГОСТ 1435-54 и ГОСТ 5952-51

Чем больше содержание углерода, тем выше показатель твердости. Однако нужно учитывать, что одновременно с этим возрастает хрупкость. В зависимости от этого показателя сталь по химическому составу разделяют на:

Низкоуглеродистая – содержание C до 0,25%. Отличается хорошей пластичностью, относительно легко поддается деформации, как в холодном состоянии (годна для холодной ковки), так и под воздействием высоких температур.
Среднеуглеродистые – содержание углерода от 0,3% до 0,6%. Обладает достаточной прочностью, но также имеет хорошие показатели пластичности и текучести, что важно для обработки. Область применения – элементы конструкций, эксплуатация которых подразумевает нормальные условия.
Высокоуглеродистые – от 0,6% до 1,4%. Из нее изготавливают высокопрочный инструмент, приборы для измерения.

Каждый из этих видов стали имеет определенную область применения в зависимости от характеристик.

Характеристики

Воздействуют на структуру и характеристики за счет термической обработки металлической конструкции. Однако, не все поддается корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига. Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов, деталей в различных сферах машиностроения.

Свойства углерода, как простого вещества:

При нормальных условиях плотность составляет 2,25 г/см³.
Температура кипения равна 3506,85 °C.
Молярная теплоемкость – 8,54 Дж/(K•моль).
Критическая температура фазового перехода (когда газ не конденсируется ни при каком давлении) — 4130 К, 12 МПа.
Молярный объем 5,3 см³/моль.

Также стоит перечислить углеродные модификации. Из кристаллических веществ самыми известными являются: алмаз, карбин, графит, наноалмаз, фуллерит, лонсдейлит, фуллерен, а также углеродные волокна.

К аморфным образованиям относится: древесный, ископаемый и активированный уголь, антрацит, кокс, стеклоуглерод, сажа, техуглерод и нанопена.

Но ничто из перечисленного не является чистой аллотропной формой обсуждаемого вещества. Это лишь химические соединения, в которых углерод содержится в высокой концентрации.

Классификация углеродистых сталей

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя разные направления. Рассмотрим основные классификации металлов.

Конструкционная сталь

Конструкционные стали – это материалы, которые используются при создании различных строительных конструкций, деталей машиностроения и механизмов. Они имеют специфические химические, физические и механические характеристики. По химическому составу стали бывают легированными и углеродистыми.

Качество конструкционного металла связано с количеством примесей фосфора (Р) и серы ( S ), которые в нём содержатся. Они относятся к вредным соединениям. Чем больше в составе фосфора и серы, тем более хладно- и красноломкой становится сталь. На основании количества вредных примесей разработали следующую классификацию:

содержание серы и фосфора до 0,05% – сталь обыкновенного качества (маркировка «Ст»);
доля фосфора и серы до 0,035% – качественная сталь (маркировка «Сталь»);
количество серы и фосфора до 0,025% – высококачественная сталь (маркировка «А», буква ставится в конце);
объём фосфора и серы до 0,015% – особо высококачественная сталь (маркировка «Ш», буква ставится в конце).

Помимо этого при производстве используют классификацию сталей, отличающихся по механическим, физическим и химическим свойствам. Сюда входят:

углеродистые;
легированные;
низколегированные;
теплоустойчивые;
подшипниковые;
пружинные;
автоматные стали.

Все вышеперечисленные конструкционные металлы отличаются не только свойствами, но и сферами применения.

Сферы применения конструкционных сталей

Низколегированная сталь. Применяется в вагоностроении (железнодорожные, трамвайные, метро), локомотивостроении, при производстве сельскохозяйственной и полевой техники, при возведении крупных сооружений инженерной инфраструктуры, которые работают под воздействием постоянно меняющихся нагрузок и температур.
Теплоустойчивая сталь. Металл применяют для производства различных деталей, которые способны работать в течение долгого времени под постоянной нагрузкой при температуре до 6000 градусов по Цельсию.
Конструкционная подшипниковая сталь. Применяется для производства деталей, которые работают под действием переменных и сосредоточенных напряжений, образующихся в местах, где в подшипниках качения контактируют шарики с роликами и беговые дорожки колец.
Пружинная сталь. Её также называют пружинно-рессорной. Сфера применения пружинной стали – производство рессор, пружин, сильфонов и других подобных металлических изделий.
Автоматная сталь. Металл применяют для изготовления мелких крепёжных элементов и других деталей, выпускаемых большими партиями при помощи автоматических станков.

Легирование стали

Легирование стали – это процесс улучшения стального сплава, предполагающий ввод в состав дополнительных компонентов. Химические элементы позволяют изменить структуру материала с целью получения требуемых качеств. Для легирования стали может использоваться один, два или большее количество химических элементов.

В зависимости от типа легирующего элемента конструкционный металл приобретает определённые качества:

никель – делает металл пластичным, прочным и устойчивым к коррозии;
вольфрам – придаёт стали твёрдости и красностойкости;
хром – сталь становится твёрже, прочнее, коррозиеустойчивее, а также уменьшается пластичность;
кобальт – вводится при легировании стали для повышения её пластичности и прочности;
титан – нацелен на увеличение плотности, твёрдости и изменение структуры до мелкозернистой;
молибден – способствует повышению твёрдости, прочности и устойчивости к высоким температурам;
кремний – делает конструкционный металл более упругим, повышает магнитные свойства;
медь – добавляется для придания металлу устойчивости к коррозии и негативному воздействию кислот.

По маркировке конструкционной легированной стали можно понять, какие химические элементы были добавлены и в каком количестве. Начальные же цифры указывают на процентное содержание углерода. Если его доля не превышает 1% в десятых или сотых долях, то цифры могут отсутствовать. Примеры маркировки:

12ХН3А – хромоникелевая сталь повышенного качества, содержащая углерод (0,12%), хром (прим. 1%), никель (3%);
45ХА – хромистая сталь повышенного качества, в составе 0,45% углерода и примерно 1% хрома.

Если вы хотите приобрести качественную конструкционную сталь в Москве, воспользуйтесь каталогом Торгового дома «Ареал». Мы занимаемся реализацией высококлассного металлопроката более 20 лет.

Какие стали называются автоматными и где они применяются

У классической конструкционной стали высокая прочность, устойчивость к охлаждению и перегреву, отсутствие вредных примесей. Однако эти преимущества могут легко превратиться в недостатки материала в том случае, если речь идет об изготовлении метизов. Для решения этой проблемы инженерами была разработана так называемая автоматная сталь (автомат-сталь).

В состав этого сплава дополнительно вносятся сера или фосфор, а также различные дополнительные элементы — селен, свинец, теллур и некоторые другие. Это делает материал более ломким, поэтому работать с ним на станках гораздо легче.

Автоматные стали имеют специальную маркировку, которая позволяет однозначно отличить материал от других сплавов. Но какие стали называются автоматными? Какими химическими и физическими свойствами обладает автоматная сталь? Как маркируется этот материал и в каких сферах металлургии он используется чаще всего? В нашей статье мы в деталях рассмотрим все эти вопросы.

Что такое конструкционная сталь?

С точки зрения металлургии автомат-сталь является подвидом конструкционной стали, поэтому сперва рассмотрим этот материал, чтобы понять основные отличия сплавов. Конструкционная сталь — это стальной сплав на основе железа и углерода. Особенность этих сплавов с химической точки зрения — минимальное содержание серы и фосфора (во время выплавки используется специальные техники очистки, которые позволяют искусственным способом понизить содержание этих элементов).

Сера — этот элемент делает сплав хрупким и ломким, а во время холодной обработки такой материал может серьезно растрескаться, что сделает его бесполезным в использовании.
Фосфор — этот элемент также снижает прочность стального сплава + при тепловой обработке из-за фосфора также могут появиться трещины в материале.

Согласно нормам ГОСТ содержание фосфора и серы в конструкционной стали должно составлять не более 0,05%, хотя встречаются и более качественные прочные сплавы с содержанием вредных примесей в более низкой концентрации. Такие материалы называют качественным (концентрация серы и фосфора — до 0,035 %), высококачественными (до 0,025%) и сверхвысококачественными (до 0,015%).

Что такое автоматная сталь?

Как мы уже выяснили ранее, фосфор и сера — это вредные примеси, содержание которых стараются минимизировать в итоговом сплаве, поскольку они ухудшают качество стали. Однако существует особый класс стальных конструкционных сплавов, где фосфор и сера могут содержаться в значительных количествах — это класс называют автоматной сталью.

Дело все в том, что при изготовлении сложных небольших деталей на станках-автоматах не требуется сверхпрочный материал — зато нужен пластичный материал, который легко и быстро обрабатывать.

Именно поэтому в автоматной стали допускается повышенное содержание примесей — фосфора или серы + различных дополнительных элементов (хрома, никеля, селена, свинца и других). Оптимальная температура ковки автоматной стали — от +950 до +1200 градусов по Цельсию.

Автомат-сталь используется для поточного производства метизов — болтов, гаек, шурупов, осей, валиков, фрагментов цепей и так далее. Также этот материал подходит для производства мелких автомобильных деталей сложной формы и конфигурации — зубцовых передаточных механизмов, колец полуосей машин, валиков масляного насоса и так далее. Выплавка автоматной стали контролируется государственным нормами ГОСТ 1414-75. Согласно ГОСТ автоматная сталь должна удовлетворять следующим требованиям:

Высокое качество надлома стружки (при обработке на станке очень важно быстро удалять стружку, которое образуется в больших количествах во время работы).
Низкая шероховатость поверхности (в противном случае деталь может получиться неоднородной по своей структуре, что критично при изготовлении мелких деталей сложной формы, где каждый изгиб имеет определенное конструктивное значение).
Минимальный износ режущего инструмента (в противном случае режущий станок очень быстро придет в негодность, что сделает себестоимость деталей очень высокой).
Есть возможность резать объект на высокой скорости (это позволяет снизить конечную стоимость детали, что минимизирует расходы на электричество и улучшает себестоимость такого способа обработки).

Физические свойства и изготовление автоматной стали

Физические свойства автомат-стали очень похожи на свойства обыкновенной конструкционной стали. Отличительные свойства автоматных сталей обуславливаются вхождением в состав материала различных примесей — в первую очередь это сера и фосфор, однако в состав автомат-стали могут входить и некоторые другие добавки (свинец, селен, кальций, марганец, теллур и другие). Также большое значение имеет способ выплавки и последующей обработки (диффузный отжиг, цементация, закалка и другие). Ниже мы кратко рассмотрим все основные примеси и способы правильной обработки.

Легирующие добавки

Сера (не более 0,2%). Улучшает надлом стружки за счет снижения прочности сплава, что делает возможным станочную обработку стального материала. Помимо этого сера оказывает вяжущий и смазывают эффект, что снижает шероховатость поверхности. В большинстве случаев сера вводится в состав сплава в виде марганцевых сульфидов, поэтому достаточно часто автоматные стали помимо серы содержат марганец.
Фосфор (до 0,15%). По своим свойствам очень похож на серу — улучшает надлом стружки, снижает шероховатость и так далее.
Селен. Позволяет дополнительно повысить надлом, но одновременно и сохранить высокую прочность сплава. К тому же селен позволяет сохранить режущий инструмент острым, что положительно сказывается на сроке годности автомат-станка.
Свинец. Повышает стойкость режущего инструмента станка, а также увеличивает срок обработки материала, что благоприятно сказывается на себестоимости деталей.
Кальций. Во время резки кальций создает на поверхности металла тонкий слой, который улучшает резку и скорость обработки. Некоторые дополнительные свойства кальция — снижает вероятность прилипания стружки к металлу, увеличивает срок годности режущего инструмента и так далее.
Марганец. Практически не влияет на свойства автоматной стали, однако содержится во многих автоматных сплавах, поскольку сера в сплав вносится в виде марганцевого сульфида, а после расплавки марганец остается в материале в виде добавочного компонента в небольших концентрациях (обычно не более 0,01%).

Физическая обработка

При выплавке помимо внесения дополнительных компонентов автоматная сталь обычно подвергается обжигу при температуре около 1300 градусов по Цельсию. Цель подобного обжига — обеспечить равномерное распределение фосфора и серы по всему объему стального сплава (в противном случае некоторые фрагменты металла будут хрупкими, а некоторые фрагменты — сверхтвердыми).

Также во время обработки материал может подвергаться цементированию и закалке — это позволяет получить более прочным пластичный материал, который будет легко резаться + он не будет портить режущую поверхность автомат-станка. Основные методы выплавки автомат-стали — мартеновский метод и конвертерная техника.

Преимущества и недостатки автоматной стали

Простота обработки с помощью автомат-станков — можно получить как обычные детали (болты, гайки, шурупы), так и различные объекты сложной формы и конфигурации (различные шестерни, сложные валики с выемками, различные передаточные механизмы и так далее).
Высокая скорость обработки, отличное качество резки и низкая степень порчи резаков на станках. Это снижает себестоимость деталей.
Некоторые другие плюсы — простота выплавки, неплохая прочность, большой срок годности деталей, возможность внесения различных присадок для изменения физических свойств материала и так далее.

Главные минусы — наличие серы и фосфора, что снижает вязкость и пластичность конечных деталей. Особенно критично это в случае автомобильных деталей, когда поломка того или иного агрегата может представлять угрозу для жизни человека. К тому же нужно помнить, что фосфор и сера делают материал хрупким при резком перепаде температур, поэтому детали из автоматной стали использовать в помещениях со стабильными температурами.

Маркировка автомат-стали

Согласно нормирующим требования ГОСТ 1414-75 обозначается с помощью большой буквы A, которая указывает на то, что данный материал рекомендуется использоваться для обработки с помощью автоматных станков. После буквы А обычно ставится число, которое указывает на общую концентрацию углерода (единицы измерения — сотые доли процента). Если в состав материала входят какие-либо дополнительные присадки (марганец, селен, хром или свинец), то в таком случае это также указывается в названии материала согласно номенклатуре ГОСТ.

Основные марки автомат-стали

Марка	Дополнительные примеси (помимо фосфора и серы)	Основные детали, которые делают из этого сплава
А11	Отсутствуют	Болты, гайки, цепи, вилки для автомобильных механизмов сцепления
А12	Отсутствуют	Оси, валики, болты, шурупы, гайки и различные мелкие изделия сложной формы, которые нуждаются в точной обработке
А20	Отсутствуют	Мелкие детали различных машин и механизмов сложной формы, которым нужна точная обработка
А30	Отсутствуют	Детали сложной формы и размеров, различные метизы (это могут быть шурупы, болты, гайки, кольца, шестерни и так далее)
А35	Отсутствуют	Различные детали круговой или сложной формы, которые нуждаются в точной обработке на автомат-станках (шестерни, шурупы, болты, кольца, цепи и другие)
А35Е	Селен	Матрицы и бандажи
АС14ХГН	Свинец, марганец, хром, никель, кремний	Различные автомобильные детали (втулки, валы, передаточные механизмы)
АС19ХГН	Свинец, марганец, хром, никель, кремний	Зубцовые передаточные механизмы
АС35Г2	Марганец, никель, кремний; в небольших количествах — медь, хром, свинец	Валики масляного насоса
АС40Х	Хром + в небольших количествах — свинец, медь, никель	Кольца полуосей легковых машин

Заключение

Давайте подведем итоги. Автоматная сталь — это особый тип конструкционной стали, с повышенным содержанием фосфора и серы в материале. Из-за содержания примесей автомат-сталь становится более хрупкой, поэтому из подобного материала можно делать различные небольшие метизы простой или сложной формы — гайки, шурупы, матрицы, валики, оси, втулки, валы и так далее. Для производства метизов обычно используются специальные станки, которые не годятся для работы с обычной конструкционной сталью (ведь такой материал является очень прочным, что серьезно усложняет его обработку).

Состав и физические свойства автоматной стали регулируются государственными нормами ГОСТ 1414-75. Согласно этому документу в состав автомат-стали помимо серы и фосфора могут входить и некоторые другие добавки в небольших количествах — селен, свинец, марганец, кальций и другие. Автомат-сталь должна удовлетворять следующим требованиям — высокая степень надлома стружки, минимальная шероховатость, высокая степень обработки станковыми способом и так далее.

Автоматная сталь обладает как преимуществами, так и недостатками, что нужно учитывать при выборе материала для изготовления метизов. Согласно нормам ГОСТ для маркировки автомат-стали используется заглавная буква А и число, которое указывает на общее содержание углерода в материале. При наличии дополнительных примесей (свинец, селен, марганец и другие) могут указываться и некоторые другие буквы маркировки.

Маркировка и применение различных марок стали

Марки стали отличаются составом металла и химическими компонентами. Именно ввод легирующих элементов даст итоговый продукт, а само производство и обработка будут указывать на отдельные свойства. Нужно учитывать, что отдельные компоненты делают характеристики хуже, поэтому на маркировке указывается их низкое содержание или вообще отсутствие.

Применяя расшифровку маркировки стали, производитель дает возможность потребителю узнать о содержании основных компонентов сплава, некоторые сведения о технологии изготовлении, технических характеристиках и возможностях применения.

Виды стали и маркировка

Для одних изделий нужна высокая износоустойчивость, для других стойкость к коррозии, а для третьих – магнитные свойства.

«С» — для строительства. С низким содержанием легирующих компонентов, отличающаяся хорошей свариваемостью.
Для пружин (пружинная). В данных сплавах присутствуют отличные показатели упругости, сопротивляемости к разрушительным процессам, прочность на усталость. Для изготовления рессор, пружин.
«Ш» для подшипников. Из названия понятно, что данные сплавы нужны для изготовления элементов подшипников для различных узлов, механизмов. Главные свойства – износоустойчивость, отменная прочность, и малая текучесть.
Сталь стойкая коррозии или нержавейка. Данный вид отличает высокое содержание легирующих компонентов, повышенная стойкость к агрессивным средам и веществам.
Жаропрочные марки стали – сплавы, которые могут применяться в изделиях, способных функционировать под нагрузкой при высоких температурах. Сфера применения – элементы различных двигателей.
«У» для инструментов или инструментальная сталь нашла свое применение в изготовлении инструментов для измерений в металлообработке и для деревообрабатывающей промышленности.
«Р» быстрорежущая сталь востребована для производства инструментов в металлообрабатывающем оборудовании.
Цементирующая – сплав, применяемый для узлов и механизмов, которые функционируют при значительных поверхностных нагрузках.

Для остальных сталей (пружинная, инструментальная) не имеют обозначений. Указывается только химсостав.

Кроме видов сталь классифицируется по химсоставу, качеству, способу плавки, структуре, назначению.

Химический состав

Основные добавки для легирования – металлы. Вариативность количественного состава и массовой доли дает возможность получать различные марки. Просто железо по своим техническим свойствам – низкое качество конечного продукта: низкая прочность и высокая коррозийность требуют добавления компонентов, которые будут улучшать качество. Однако на практике доказано, что, повышая одно свойство, понижаются другие. Так высоколегированная нержавейка имеет низкие показатели механической прочности, а высококачественные углеродистые стали с получением прочности, получают коррозийность.

Главные компоненты химического состава стали – углерод и железо, причем углерода должно быть не больше 2,14%, железа не меньше 50%. Количество углерода в составе определяет ее классификацию: низкоуглеродистые, среднеуглеродистые, высокоуглеродистые.

Если процент содержания углерода достаточно высок, то сплав получается с высокой твердостью, но прочность снижается.

с низким содержанием легирующих компонентов (до 2,5%);
среднелегированные – до 10%;
высоколегированные – до 50%.

Это указывается в маркировке числом процентного содержания для каждого элемента. Если нет числа, то это означает, что добавок меньше 1,5 %. Показатели углерода не отображаются, так как он присутствует во всех композициях. Содержание углерода стоит в начале маркировки. Такая же маркировка указывает на назначение сплава. Здесь также буквы, которые расположены в определенном порядке: начало, середина, конец.

Структура стали

Фазы указывают на строение металла, его физические качества и от которых зависит класс стального сплава: литейный, инструментальный и др.

Что такое раскисление

В процессе плавки в сплаве остается в небольшом количестве кислород. Чтобы снизить его содержание и восстановить железо применяют метод раскисления (реакция). Суть процесса заключается в добавлении соединений в расплавленное состояние металла. В процессе реакции освобожденный кислород начинает реагировать на углерод, появляется углекислый газ.

Кипящая. В данной стали низкое качество, так как реакция короткая и выход готового продукта больше;
Спокойная. Обладает высоким качеством, но малый выход продукта, поэтому она дорогая.
Полуспокойная. Это средний вариант с оптимальными показателями качества и цены.

Разная степень раскисления маркируется буквенными обозначениями: «кп», «сп», «пс».

Как маркируются легирующие добавки

Состав стального сплава маркируется буквами кириллицей, и отвечают названиям химических элементов.

Химический элемент	Буква
кобальт	К
никель	Н
вольфрам	В
молибден	М
титан	Т
марганец	Г
хром	Х
медь	Д
селен	Е
ванадий	Ф
ниобий	Б
бор	Р
цирконий	Ц
азот	А
алюминий	Ю
кремний	С

В таблице видно, что есть азот и кремний, которые не являются металлами. Не указан углерод, но он присутствует в любом виде стального сплава, поэтому при маркировке просто указывается его процентное содержание.

О цветной маркировке

Обозначение в цвете применяется только в прокатной стали. Это позволяет избежать ошибок при транспортировке и хранении. Для этого применяют точки или полосы. Назначение стального сплава маркируется «своим» цветом, но группа и раскисление не учитываются.

Желтый цвет применяется для конструкционных сталей: общего назначения, автоматные, цементированные, улучшенные.

Красный круг или полоса говорит о том, что данный вид относится к высокопрочному стальному сплаву: легированная, инструментальная, быстрорежущая, закаленная.

Синий цвет обозначает прокат из нержавейки: с серой, аустенитная, мартенситная.

Обозначением зеленого цвета маркируется сталь универсального применения: высокопрочный чугун, общего назначения, автоматные, цементированные, азотированные, улучшенные углеродистые.

Марки стали и их назначение

Согласно маркировке конструкционная углеродистая сталь 08 кп и 10 применяется для изготовления штампованных деталей (холодная штамповка и высадка), прокладок, трубок, метизов, колпачков, а также для деталей, которые не нуждаются в высокой прочности: втулки, упоры, валики, копиры, фрикционы, колеса с зубцами.
- 15, 20 для деталей с низкой нагрузкой, тонкие элементы, которые работают на истирание, крюки, рычаги, траверсы, болты, вкладыши.
- 30, 35 – для деталей под низким напряжением: шпиндели, тяги, оси, звездочки, диски, рычаги.
- 40, 45 – для элементов повышенной прочности: коленвалы, распределительные валы, зубчатые венцы, колеса, плунжеры, фрикционы, оси.
- 50, 55 – используется для изготовления прокатных валков, штоков, зубчатых колес, эксцентрики, рессоры. Перед изготовлением деталей сталь подвергается закалке.
- 60 – для производства прочных и упругих деталей: диски сцепления, пружинные кольца, прокатные валы.
Тонколистная, низколегированная, универсальная сталь имеет маркировку: 09Г2, 09Г2С, 10 ХСНД, 15 ХСНД, 15 ГФ. Сферы применения: машиностроение, судостроение, химическое машиностроение, вагоностроение. Это сварные конструкции, паровые котлы, детали вагонов, сложные и фасонные профиля.
Конструкционная легированная сталь маркируется: 15 Х, 15 ХФ, 18 ХГТ, 20 Х, 20 ХГР, 20 ХНЗА, 35 ХМ, 38 ХА, 40 Х, 40 ХС и другие применяются для изделий, которые функционируют на повышенных скоростях, для деталей узлов и механизмов, работающих под высокими нагрузками.
Стали и сплавы, стойкие к коррозии в своей маркировке имеют буквы Х, Н, С, АГ, ТГР, МТ, АМ, ДИ, Ю, Т. Сфера применения химическое машиностроение, газопереработка, нефтехимическая промышленность, пищевое производство, легкая промышленность, машиностроение, судостроение, а также в других областях, где работа деталей и механизмов сопряжена с агрессивными рабочими средами.
Инструментальная нелегированная сталь разных марок, маркируется: У, А, Г, и применяется в деревообрабатывающей промышленности, изготовления ручных инструментов, для ножей, штампов для кузницы, игольной проволоки, сердечников, а также инструмента с низкой износостойкостью: хирургический инструмент, бритвы, для гравировки.
Пружинная сталь применяется для производства рессор, пружин, подвергающихся большим нагрузкам и ответственные элементы в рессорах.
Сталь для подшипников (подшипниковая) востребована для изготовления подшипников и их элементов для работы станков, железнодорожного транспорта, авиадвигателей, в точном приборостроении, на прокатных станах.

Российские стандарты маркировки

Согласно российским стандартам, на стали обозначается маркировка, в которой указывается металлический состав и принадлежность к виду (частично). Если содержание углерода не превышает один процент, то его наличие в маркировке не участвует. В маркировку входят обозначения добавок, чтобы придать сплаву легирующие свойства. Они обозначаются десятыми и сотыми частями процента. Если какого-либо компонента менее полутора процентов, то его наличие отмечают только буквой.

Но не только химический состав присутствует в маркировке. Здесь есть символы, которые указывают на характеристики стального сплава для применения и уровень качества. Так буква «А» говорит о высоком качестве продукта.

Примерные расшифровки

Чтобы было понятно, как расшифровываются разные виды сталей, приведем несколько примеров, которые дают знания о маркировке.

Семейство конструкционных сталей — основа машиностроения и строительства

Конструкционная сталь — материал особой прочности и пластичности, что обеспечивает высокую сопротивляемость к разрушению изготовленных из нее конструкций. Представляет собой сплав, определенные характеристики которого позволяют использовать многопрофильный материал для изготовления промышленных механизмов и строительных конструкций.

Что такое конструкционная сталь

К механизмам и конструкциям, используемым на предприятиях обрабатывающей промышленности и строительстве, предъявляются высокие требования по качеству и стойкости. По этой причине металл для их производства должен обладать особыми технологическими свойствами для обеспечения безаварийной эксплуатации в различных условиях окружающей среды. Этим требованиям соответствует группа конструкционных сталей, представители которой наделены заданными параметрами химических, физических и механических свойств.

Состав конструкционных сплавов содержит набор полезных добавок – железо, марганец, медь, кремний и другие элементы, но основным параметром, определяющим все свойства стального проката, является углерод. Увеличение содержания углерода в сплаве повышает прочность металла и порог его хладноломкости, что позволяет стальным конструкциям выдерживать суровые климатические условия, а также высокие промышленные нагрузки.

сталь углеродистая качественная;
легированная качественная.

фосфор (P) наделяет металлопрокат способностью к растрескиванию и поломкам по ходу механической обработки (холодной);
сера (S) способствует трещинообразованию под действием высокого давления во время горячей обработки (спектр красного каления).

Применение деталей из углеродистого металла с высоким содержанием фосфора и серы оправдано при необходимости повышения степени обрабатываемости изделия методом резания (автоматные виды сталей).

Маркировка

конгломераты обыкновенного качества, содержащие до 0,05 % вредных добавок, маркируют обозначением «Ст»;
качественный металл, содержащий максимум 0,035% серно-фосфорных примесей, имеет маркировку «Сталь»;
высококачественное металлическое сырье, содержащее до 0,025 % примесей, снабжают завершающей буквой «А»;
особовысококачественные с 0,015 % фосфора и серы маркируют конечной буквой «Ш».

Исходя из сферы применения металлопроката, он бывает строительным (в основном низкоуглеродистый тип) и машиностроительным (средняя и низкоуглеродистая категория). Среднеуглеродистую конструкционную сталь (0,25-0,55 % серы) используют в машиностроении благодаря хорошему сочетанию механических свойств после термической обработки. Металл с низким содержанием углерода применяют для строительных работ по причине хорошей степени свариваемости, низкой склонности к старению.

Углеродистая конструкционная сталь

Качество металлопроката этого типа может быть обыкновенным и высоким. Материал обыкновенного качества более дешевый за счет меньшей очистки от вредных компонентов, отличается большим количеством неметаллических примесей.

Градация по качественному показателю

А – сплавы этой группы не требуют дальнейшей термической обработки, что способствует сохранению заводских свойств исходного металла. Маркировка стандартная – буквы «Ст» плюс цифры, обозначающие степень прочности и пластичности – Ст1, Ст3 и т.п.
Б – гарантированный химический состав материала этой группы поддается раскислению. Маркировка содержит букву «Б» с указанием степени раскисления в конце – БСТ3сп (спокойная), БСт1кп (кипящая). Числом обозначают процент углерода.
В – группа сталей повышенного качества с гарантированным химическим составом выдерживает механическую обработку. Маркируется буквами ВСт1, ВСт3 и т.д. Для производства изделий из металла этой группы потребуется дополнительная обработка, преимущественно сваркой.

Металлопрокат обыкновенного качественного состава применяют для изготовления деталей, требующих сварки, необходимых для работы в условиях небольших нагрузок. Конструкционную сталь этого типа в основном используют в автомобильной промышленности, а также в строительном деле для конструкций массового предназначения.

Металл обыкновенного типа соответствующих марок используют для производства гвоздей, проволоки, заклепок. Из конструкционного материала выпускают оси и валы, работающие под слабой нагрузкой, различные виды крепежных деталей, используют для получения фасонного проката.

Ограничения

Содержание углерода, обозначаемое цифровым индексом, накладывает определенные ограничения на качество, область применения стальных изделий.

Наименование	Свойства изделий, сферы применения
Низкоуглеродистые	Малонагружаемые детали из этого материала отличаются небольшой прочностью при высокой пластичности и уровне свариваемости. Изделия пригодны для штамповки холодным способом, исключив термическую обработку. Из металлического сплава производят сложные детали для автомобилей, ответственные сварные конструкции
Среднеуглеродистые	Среднеуглеродистой конструкционная сталь становится после улучшения методом закалки и горячего отпуска (до 650°С). Эти показатели повышают прочность стальных деталей, но понижают пластичность, что допускает обработку резанием. Улучшенный закалкой материал высокой прочности применяют в машиностроении
Высокоуглеродистые	Для высокоуглеродистых материалов характерен высокий процент марганца. Из такого вида металла производят изделия, которым требуется повышенная упругость, износостойкость (рессоры, пружины). После отжига материал хорошо поддается обработке резанием
Качественные	Конструкционный материал этой категории содержит увеличенную долю примесей – серно-фосфорных, свинцовых добавок. Качественный металл применяют для выпуска деталей, подвергающихся повышенной обработке, не вредящей металлорежущему инструменту. Это класс автоматных сталей, обогащенных серой, фосфором, свинцом, предназначенных для работы на станках-автоматах

Для повышения износостойкости металлоизделий применяют графитизацию, наклеп, наплавку. Подобные методы улучшения параметров конструкционной стали позволяют добиться повышения твердости материала, устойчивости его к износу.

Область применения

Конкретную область применения углеродистого металлопроката определяют его характеристики.

Конструкционные сплавы	Свойства сталей, области применения
Машиностроительный	Применяют для производства автомобилей благодаря высоким механическим свойствам, распространяющимся на весь материал. Детали машин отличаются надежностью, хорошо сопротивляются большим нагрузкам, ударному воздействию, сохраняя повышенную прочность
Строительный	Из углеродистых сплавов изготавливают мостовые конструкции , фермы, оборудование нефте- и газопроводов. Основное требование к сталям конструкционным этого типа – хороший показатель свариваемости при небольшом объеме легирующих компонентов. Повышению прочности способствует легирование кремнием, а также марганцем
Арматурный	Арматурой из стального материала армируют железобетонные конструкции, что способствует повышению их прочности при воздействии нагрузок. Этот тип металла представлен прутками (гладкими, профилированными) и проволокой. В зависимости от требований прочности к конструкциям (предварительно напряженные либо ненапряженные) стальную арматуру упрочняют термической обработкой
Пружинный	Свойства упругости используют для изготовления пружинной стали. Основное требование к металлу конструкционного типа – повышенная текучесть, которая достигается методом закалки с отпуском в температурном режиме до 400°С. Такой уровень температуры обеспечивает наивысшее значение предела упругости. Конструкционные стали для особо нагружаемых пружин усиливают добавкой ванадия и хрома
Шарикоподшипниковый	К изделиям предъявляется требование особой твердости из-за высоких локальных нагрузок. По этой причине для получения металлопроката выбирают высокоуглеродистую сталь. Легкость закалки при низких температурах и применении масла обеспечивают легированием хромом, для улучшения прокаливания вводят кремниево-марганцевые элементы
Цементуемый	Этот вид содержит 0,1-0,25 % углерода, что позволяет использовать их для производства изделий, подвергающихся цементированию. Детали цементуемого и цианируемого класса (болты, шестерни, гайки и т.д.) имеют небольшие размеры при повышенной прочности благодаря введению полезных добавок

Котельная разновидность углеродистых сплавов производится в виде котельных листов двух типов – толстолистовой материал толщиной свыше 4 мм и тонколистовая основа меньше 4 мм толщиной. Из котельного типа стали изготавливают паровые котлы (водогрейные), а также сосуды (паропроводы, коллекторы, трубы), способные выдерживать повышенные температуры (до 450 o С) при высоком давлении пара. Качественный металлопрокат обладает хорошей свариваемостью, маркируются буквой «К» на конце (12К, 16К, 22К и т.д.).

Особенности легированных сплавов

Наряду с углеродистыми качественными сталями, для конструкций в строительстве, а также для деталей машиностроения и приборостроения применяют легированную сталь. Легирование металла (обогащение основного состава полезными добавками) наделяет готовые изделия рядом специальных свойств, улучшает технологические, прочностные, физико-химические качества.

до 2,5-5 % примесей – материал низколегированный;
до 10 % добавок – металл среднелегированный;
свыше 10 % примесей – высоколегированный прокат.

Легированная конструкционная сталь применяется для самых ответственных узлов механизмов, подвергаемых особо тяжелым нагрузкам. Для обеспечения высокой конструктивной прочности такие детали обязательно проходят окончательную термическую обработку для гарантии повышенной прочности.

начинается с двух цифр, обозначающий процентный состав углерода;
русской буквой прописывают конкретный элемент легирования;
следующая за буквой цифра указывает процентное содержание этой присадки;
завершающая буква «А» сообщает, что сталь высококачественная.

Преимущества добавок

повысить прочность, не подвергая изделия термической обработке;
усилить твердость, ударную вязкость, уровень прокаливаемости;
обогатить особыми свойствами (жаропрочность, стойкость к коррозии).

Разные виды добавок улучшают определенные показатели конструкционной стали. Введение никеля способствует повышению ударной вязкости, а в содружестве с хромом обеспечивает способность к глубокому прокаливанию. Подобное сочетание примесей гарантирует равномерное улучшение свойств конгломерата по всей площади сечения.

Недостатки

К недостаткам хромоникелевого улучшения можно отнести вероятность хрупкости после отпускного процесса. Недостаток устраняют путем введения молибдена (0,2-0,4 %). Область применения легированного материала этого вида – крупные цементируемые изделия (валы, шестерни, шатуны) улучшенной прочности, износостойкости, пластичности. Для существенного усиления этих свойств молибден заменяют присадкой вольфрама, которая устраняет также отпускную хрупкость.

Наиболее распространенный дефект конструкционных сплавов – появление флокенов. Это трещины (белые пятна) внутри стальной детали, которые можно заметить на изломах. Флокены снижают усиление механических свойств, превращая сталь в непригодный для использования материал.

Появление тонких нитеобразных дефектов (волосовины) связано со скоплением неметаллических примесей, представляющих собой продукты раскисления. Их направленность отражает текучесть металла под действием давления во время горячей обработки. Преимущественный состав волосовин – силикатные включения.

Изделия из легированных сплавов малоуглеродистого вида часто страдают от межкристаллических трещин. Причина образующихся дефектов связана усадкой, их расположение обычно совпадает с осью слитка. На поверхность трещины не выходят в отличие от волосовин, с целью их устранения поверхность заготовки подвергают зачистке. Для защиты от появления дефектов, ухудшающих качество металла, разработан ряд специальных мероприятий.

Читайте также: