Сталь с высоким содержанием серы

Обновлено: 20.05.2024

Сталь - это сплав железа и углерода с другими элементами, содержание углерода в нём не более 2,14%.

Наиболее общая характеристика - по химическому составу сталь различают:

углеродистую сталь (Fe – железо, C – углерод, Mn – марганец, Si — кремний, S – сера, P – фосфор). По содержанию углерода делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Углеродистая сталь предназначена для статически нагруженного инструмента.

легированную сталь - добавляются легирующие элементы: азот, бор, алюминий, углерод, фосфор, кобальт, кремний, ванадий, медь, молибден, марганец, титан, цирконий, хром, вольфрам, никель, ниобий.

По способу производства и содержанию примесей сталь различается:

сталь обыкновенного качества ( углерода менее 0,6%) - соответствует ГОСТ 14637, ГОСТ 380-94. Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6. Буквы «Ст» обозначают сталь обыкновенного качества, цифры указывают на номер маркировки в зависимости от механических свойств. Является наиболее дешёвой сталью, но уступает по другим качествам.

качественная сталь ( углеродистая или легированная ) - ГОСТ 1577, содержание углерода обозначается в сотых долях % - 08, 10, 25, 40, дополнительно может указываться степень раскисления и характер затвердевания. Качественная углеродистая сталь обладает высокой пластичностью и повышенной свариваемостью.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали характеризуются невысокой прочностью и высокой пластичностью. Из листового проката стали 08, 10, 08кп изготавливают детали для холодной штамповки. Из сталей 15, 20 делают болты, винты, гайки, оси, крюки,шпильки и другие детали неответственного назначения.

Среднеуглеродистые качественные стали (ст 30, 35, 40, 45, 50, 55) используют после нормализации и поверхностной закалки для изготовления таких деталей, которые обладают высокой прочностью и вязкостью сердцевины (оси, винты, втулки и т. д.)

Стали 60 — стали 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругими свойствами. Из них изготавливают крановые колёса, прокатные валки, клапаны компрессоров, пружины, рессоры и т.д.

высококачественная — сложный химический состав с пониженным содержанием фосфора и серы — по ГОСТу 19281.

Также сталь делится по применению :

а) строительная сталь — углеродистая обыкновенного качества. Обладает отличной свариваемостью. Цифра обозначает условный номер состава стали по ГОСТу. Чем больше условный номер, тем больше содержание углерода, тем выше прочность стали и ниже пластичность.

Ст0-3 — для вторичных элементов конструкций и неответственных деталей (настилы, перила, подкладка,шайбы)

Ст3 используют для несущих и ненесущих элементов сварных и несварных конструкций и деталей, которые работают при положительных температурах. ГОСТ 380-88.

Стандартом качества предусмотрена сталь с повышенным количеством марганца (Ст3Гсп/пс, ст5Гсп/пс).

б) конструкционная сталь — ГОСТ 1050

Углеродистые качественные конструкционные стали используются в машиностроении, для сварных, болтовых конструкций, для кровельных работ, для изготовления рельсов, железнодорожных колёс, валов, шестерен и других деталей грузоподъёмников.Ц ифры в маркировке означают содержание углерода в десятых долях процента.

Ст20 — малонагруженные детали, такие как валики, копиры, упоры,

Ст35 — испытывающие небольшие напряжения (оси, тяги, рычаги, диски, траверсы, валы),

Ст45 (ст40Х) — требующие повышенной прочности (валы, муфты, оси, зубчатые рейки)

Конструкционные легированные стали используют для гусениц тракторов, изготовления пружин, рессор, осей, валов, автомобильных деталей, деталей турбин и др.

в) инструментальная сталь — применяется для режущего инструмента, быстрорежущая сталь для холодного и горячего деформирования материла, для измерительных инструментов, на производство молотков, долот, стамесок, резцов, свёрлов, напильников, бритв, рашпилей.

У7, У8А (цифра- десятые доли процента по содержанию углерода). Углеродистые стали выпускают качественными и высококачественными. Буква «А» означает высококачественную углеродистую инструментальную сталь.

г) легированная сталь — универсальная сталь, содержащая специальную примесь. Содержание кремния более 0,5%, марганца более 1%. ГОСТ 19281-89. Если содержание легирующего элемента превышает 1 - 1,5%, то оно указывается цифрой после соответствующей буквы.

низколегированная сталь — где легирующих элементов до 2,5% (09Г2С, 10ХСНД, 18ХГТ). Низколегированную сталь можно использовать в условиях крайнего севера, от -70 град С. Низколегированную сталь отличает большая прочность за счёт более высокого предела текучести,что важно для ответственных конструкций.

среднелегированная (2,5 -10%),

высоколегированная (от 10 до 50%)

Сталь 09Г2С применяется для паровых котлов, аппаратов и ёмкостей, работающих под давлением и температурой от минус 70, до плюс 450град; её используют для ответственных листовых сварных конструкций в химическом и нефтяном машиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД используют для сварных конструкций химического машиностроения, фасонных профилей в сдостроении, вагоностроении.

18ХГТ применяют для деталей, работающих на больших скоростях при высоком давлении и ударных нагрузках.

д) сталь особого назначения — сталь с особыми физическими свойствами. Она применяется в электротехничсеской промышленности и точном судостроении.

На свариваемость стали влияет степень её раскисления. По степени раскисления сталь классифицируется:

спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,

полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,

кипящая сталь (08кп) — неокисленная сталь с высоким содержанием неметаллических примесей. ГОСТ 1577.

В зависимости от нормируемых характеристик , сталь подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5. Категории обозначают химический состав, механические свойства при растяжении, ударную вязкость)

Например, категория 1 — химический состав не нормируемый, категория 3 — нормируется ударная вязкость при температуре +20. Для марки ст0 не нормируется ни химический состав, ни предел текучести.

4 группы коррозионностойкой стали

Коррозионностойкая сталь (нержавеющая) – это сталь, стойкая по отношению к коррозии. Такое свойство приобретает железосодержащий металл, когда к основному химическому элементу – Fe добавляют хром в значительном количестве. Получают сплав, характеризующийся новыми качествами, главным из которых является повышенная коррозионностойкость, то есть невосприимчивость к окислительным процессам, происходящем на воздухе или в других средах.

Поиском способов защиты стального материала от коррозии занимались давно, покрывая его различными составами и красками. Действительно эффективный способ был найден в 1913 году англичанином Г. Бреарли, который получил патент на изобретение стали с высоким содержанием хрома, что позволяло материалу сопротивляться процессам коррозии.

Химическая основа коррозионностойких сплавов

Нержавеющие сплавы железа основаны на правиле, в соответствии с которым при добавлении к неустойчивому к коррозии металлу другой металл, который образует с ним твердый раствор, то стойкость к процессам ржавления возрастает скачкообразно, а не пропорционально.

При наличии 13% хрома и выше сплавы не ржавеют в обычных условиях и в средах, которые принято относить к слабоагрессивными.
Если в составе хрома 17% и больше, коррозионностойкие качества проявляются в агрессивных окислительных, щелочных и др. растворах.

Химическая основа сопротивляемости коррозии заключается в образовании на поверхности предмета из нержавеющей стали пассивирующей пленки окислов благодаря хрому. Эта пленка не пропускает кислород и останавливает окислительные процессы от проникновения внутрь. Эффективность защиты зависит от состояния поверхности металла, отсутствия дефектов и внутренних напряжений в материале.

Элементы., которые сопутствуют железу в стальных сплавах: С – углерод, Si – кремний, Mn – марганец, S – сера, P – фосфор и другие

Легирование стали, то есть улучшение её физико-механических характеристик, проводится и другими химическими элементами, помимо Cr. К таким элементам относятся металлы различных групп.
В нормативной документации условные обозначения элементов даются на русском языке: Ni – никель (Н), Mn – марганец (Г), Ti – титан (Т), Co – кобальт (К), Mo – молибден (М), Cu – медь (Д).

Для стабилизации аустенитной структуры стали, то есть укрепления кристаллической решетки железа, добавляется никель. Прочность закрепляется добавками углерода. Устойчивость к перепадам температуры обеспечивается присадками титана. В особенно агрессивных средах, к примеру – кислотных, действуют сложнолегированные сплавы с присадками никеля, молибдена, меди и других компонентов.

Маркировка нержавеющих видов стали

В маркировке металлов используются буквы и цифры.

Существует российская классификация марок стали, которая используется в технических и нормативных документах. Параллельно бытует распространенная в мире группа стандартов, разработанных институтом Американским институтом стали и сплавов – AISI (American Iron and Steel Institute) для легированных и нержавеющих сталей.

Российские стандарты используют следующую схему. Для примера приведена аустенитная сталь 12Х15Г9

Элемент маркировки	Двузначное число	Буквы	Цифры	Буквы	Цифры
Что означает	Количество углерода – С в сотых долях процента	Легирующие элементы	Процентное содержание легирующих металлов (округленно до целого числа)	Легирующие элементы	Процентное содержание легирующих металлов (округленно до целого числа)
Пример	12	Х (Хром)	15 (15%)	Г (Марганец)	9 (9%)

В системе AISI материалы обозначаются тремя-четырьмя цифрами: две первые – группа сталей, две другие — среднее содержание углерода. Буквы могут находиться после второй цифры, впереди или за цифрами.

Примеры: 410, 410S, 1045.

Коррозионностойкая сталь — основные виды

Коррозионостойкие сплавы определяют по их способности противостоять под действием большого набора естественных и искусственных коррозионных сред: атмосферных, подводной, грунтовой (подземной), щелочной, кислотной, солевой, среды блуждающих токов.
Стойкость проявляется к воздействиям химической, электрохимической, межкристаллитной коррозии.

Классификация нержавеющих сплавов регулируется нормативными документами ГОСТ, в которых описывается сталь в соответствии с производственными процессами и применением.

Сплавы делятся на несколько групп по критерию структуры. Они различаются по процентному содержанию углерода и составу легирующих компонентов. Эти соотношения определяют, где и каким образом может применяться тот или иной тип стали.

Ферритные
Мартенситные.
Аустенитные.
Комбинированные.

Ферритная группа

К группе ферритов относятся хромистые стали. Они маркируются литерой F. Стали с большим содержанием хрома — до 30%, и небольшим углерода – до 0,15%. Обладают ферромагнитными свойствами, то есть характеризуются намагниченностью за пределами магнитного поля при низкой критической температуре.

Для достижения оптимальных свойств регулируется и находится баланс между содержанием углерода и хрома.

Плюсы – высокая прочность и столь же высокая пластичность.

Хорошая деформируемость в условиях холодной деформации.
Высокая коррозийная стойкость.
Может подвергаться термообработке методом отжига.

Идет на производстве трубопроката, листовых и профилированных промежуточных и конечных изделий.

Химическая и нефтехимическая промышленность. Оборудование и конструкции для работы в кислотной и щелочной среде.
Тяжелое машиностроение.
Энергетика.
Приборостроение для промышленности.
Производство бытовой аппаратуры и приборов.
Пищевая промышленность.
Медицинская промышленность.

Примеры марок сталей по ГОСТ и их применения:

Сталь 08Х13 – ферритный хромистый сплав. Применяется для производства столовых приборов.

Сталь 12Х13 – ферритный хромистый сплав. Используется для хранения алкогольсодержащих продуктов.

Сталь 12Х17– ферритный хромистый жаропрочный сплав. В емкостях из него проводится высокотемпературная обработка пищевых продуктов.

Мартенситная группа

Под мартенситом понимается структура, которая получается в результате закалки заготовки или слитка металла с последующим отпуском. Закалка заключается в нагреве до температуры, которая превышает критическую, отпуск – последующее быстрое охлаждение металла.
В результате этого процесса перестраивается кристаллическая решетка, делая материал более твердым. Но может повыситься и хрупкость.

Такая процедура дает сплавы, в которых сочетаются

Высокая твердость.
Высокая прочность.
Хорошая упругость.
Устойчивость к коррозии.
Жаропрочность.

Если повысить содержание углерода в сплаве, увеличиваются качества твердости и устойчивости к изнашиванию.

Сталь предназначена для изготовления металлоизделий для функционирования в агрессивных средах средней и слабой интенсивности. Свойство упругости позволяет изготавливать такие компоненты оборудования, как пружины, фланцы, валы. Из мартенситной и мартенситно-ферритной комбинированной стали изготавливают режущие элементы — ножи для конструкций в химической промышленности, а также в пищевой.

Сталь 20Х13, 30Х13, 40Х13 – мартенситный сплав. Применяется в производстве кухонного оборудования.

Сталь 14Х17Н2 — мартенситно-ферритный комбинированный сплав, содержит никель. Используется для производства компрессоров, оборудования для эксплуатации в агрессивных средах и при пониженной температуре.

Аустенитная группа

Аустенитный класс нержавеющих сталей отличается химическим строением, внедрением атомов углерода в молекулярную решетку железа. Содержит большой процент хрома и никеля – до 33%. Это высоколегированные металлы. Немагнитность позволяет применять сплавы в широком спектре производственных процессов.

Пластичность в холодном и горячем состоянии.
Прочность.
Свариваемость на высоте.
Стойкость к агрессивным средам, пример которых — азотная кислота.
Экологическая чистота.
Устойчивость к электромагнитным излучениям.

Для получения стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, сталь легируют никелем, повышая его содержание до 9%. Легирование проводится титаном и ниобием для повышения устойчивости к межкристаллитной коррозии. Такие сплавы получили наименование стабилизированных.

Коррозионностойкие стали группы относятся к труднообрабатываемым металлам. Для облегчения работы с ними применяют методы термообработки: отжиг и двойную закалку.
Отжиг проводится нагреванием до 1200 гр. С около 3-х часов. Остывание проходит в воде или масляной жидкости, или на открытом воздухе. Таким способом повышается гибкость сплава за счет снижения твердости.
Двойная закалка предполагает процесс нормализации твердого раствора металла при температуре 1200 гр. С. Вторично закалка проходит при 1000 гр. С. Происходит увеличение пластичности и жаропрочности – устойчивости к высоким температурам.

Применение

Разнообразные емкости.
Строительные конструкции.
Трубы из коррозионностойкой стали.
Агрегаты для нефтехимии и химического производства.
Конструкции для нефтяных вышек, очистительных станций.
Механизмы, работающие под водой, такие как, турбины.
Силовые приборы в энергетической сфере.
Компоненты и агрегаты для автомобилей, самолетов.
Оборудование для продуктов питания.
Медицинская, фармакологическая аппаратура.
Элементы крепежа.
Сварные конструкции.
И другие виды продукции.

Сталь 12Х18Н10Т — высоколегированный хромистый сплав, с присадками никеля и титана. Из нее делают оборудование для нефтепереработки и химической промышленности.

Сталь 12Х18Н10Т — аустенитная хромистая сталь с присадкой никеля. Из нее изготавливаются трубопроводы для химической и пищевой индустрии с ограничениями по температуре.

Сталь 12Х15Г9НД — высоколегированный сплав, содержащий хром, марганец, никель, медь. Применяется в производстве трубопроводных систем и ёмкостей, работающих с органическими кислотами умеренной агрессивности

Комбинированные сплавы

Сочетают структуру и свойства аустенитно-мартенситной или аустенитно-ферритной категорий.

Аустенитно-ферритные стали содержат небольшое количество никеля, в них высокое содержание хрома (более 20%), легирование проводится ниобием, титаном, медью. После прохождения термической обработки отношение феррита и аустенита становится равновесным. Такие сплавы более прочные, чем аустенитные, отличаются пластичностью, устойчивостью к межкристаллической коррозии. Они хорошо выдерживают ударные нагрузки.

Аустенитно-мартенситная группа металлов с содержанием хрома в границах 12-18%, никеля в границах 3,7 -7,5%. Могут использоваться присадки алюминия. Упрочнение проводится закалкой при температуре более 975 гр. С, и последующим отпуском при температуре 450-500 гр. С. Они обладают повышенным показателем предела текучести: характеристики, которая указывает на напряжение, при котором рост деформации продолжается без роста нагрузки. Сплавы демонстрируют хорошую свариваемость и хорошие механические качества.

Типология сталей по хромовым и никелевым присадкам

Среди сталей коррозионностойкого ряда популярны хромистые и хромоникелевые.

Антикоррозионные железосодержащие материалы, в которых находится хром, иначе называют хромистыми сталями.

Теплоустойчивые мартенситные хромистые (Cr менее 10%).
Хромистые антикоррозийные. (Cr в составе не превышает 17%).
Антикоррозионные и сложнолегированные (Наличие Cr в границах 12-17%).
Хромо-азотистые и кислотоупорные ферритного типа (Состав Cr в границах между 16% и 17%).
Жаростойкие легированные: с добавками алюминия, молибдена, кремния и иных металлов.

Для хромистых сплавов в целях усиления пластичности и стабилизации кристаллической решетки применяются стабилизирующие элементы, которые снижают содержание углеродной составляющей.

Аустенитные с низким процентным показателем углерода и стабилизирующими элементами.
Кислотостойкие, содержащие присадочные металлы.
Жаропрочные, в составе которых процент никеля и хрома – свыше 20%.
Аустенитно-мартенситные и аустенитно-ферритные с показателями никеля и хрома на среднем уровне.

Особенности производства коррозионностойких сталей

Все производственные процессы в металлургии регулируются нормативными документами ГОСТ и ТУ.

Это касается и металлов с антикоррозийными свойствами.

Максимальная твердость по шкале Бринелля (НБ). Этот метод подразумевает испытание с помощью вдавливания с использованием способа восстановленного отпечатка или невосстановленного отпечатка и определяется по таблице.
Относительное удлинение, измеряемое в %. Параметр определяет пластические свойства металла. Относительное удлинение – увеличение длины испытываемого образца после прохождения предела текучести до разрушения.
Предел текучести в Н/м2. Характеристика механических особенностей материала, связанных с напряжением, при котором деформация увеличивается, когда нагрузка закончилась. Единица измерения – паскаль или ньютон на м квадратный.
Сопротивление на разрыв или предел прочности в Н/м2. Максимальное значение напряжений материала перед тем, как он разрушится.
Допуска по отклонениям процентного отношения химических элементов в готовой продукции

Пределы процентного содержания химических элементов.
Нижний предел массовой доли отдельных легирующих компонентов, таких как марганец.
Процентное отношение вредных примесей цветных металлов: олова, свинца, висмута, сурьмы, кадмия, мышьяка и других.

Магнитные характеристики антикоррозионных сплавов

Параметр магнитности характерен для некоторых металлов. Он зависит от таких характеристик, как основная структура металла, состав и особенности сплавов.

Комбинации этих переменных предопределяют уровень магнитных характеристик.

Ферриты и мартенситы задают ферромагнитные характеристики сплавов. Они настолько же магнитные, как и углеродистая сталь. Магнитные виды материалов легко подвергаются сварке и штамповке, годятся для изготовления р инструментов с режущими поверхностями и столовых приборов.

Немагнитные сплавы – аустенитные и аустенитно-ферритные хромистых и марганцевых марок.

Отличаясь большой прочностью и коррозийной устойчивостью, широко применяются в строительной сфере и в разнообразных производственных процессах.

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.

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.

Сталь с высоким содержанием серы

Включения серы в сталях можно увидеть.

Сера, как и фосфор, является вредной примесью, попадая в сталь в процессе выплавки (из руды и при сгорании органического топлива). Обычно содержание серы в высококачественной стали ограничено и не превышает 0,02—0,03%. В углеродистой стали обычного качества - не более 0,03—0,04%. При обработке жидкого металла синтетическими шлаками содержание серы можно снизить до 0,005%.
Наличие сульфидов недопустимо для ответственных деталей.
Сера нерастворима в железе, и любое ее количество образует с железом соединение под названием сульфид железа (FeS), который входит в состав эвтектики состава Fe + FeS, образующейся при 988 ºС (рис.1).

Рисунок 1. Фрагмент диаграммы состояния железо-сера.

Обычно сернистая эвтектика, присутствующая в небольшом количестве, коалесцирует, т.е. феррит эвтектики объединяется с ферритом основной массы металла, а соединение FeS располагается по границам зерен в виде цепочки отдельных включений (рис.2,а) или более крупными включениями в виде оторочки по границам зерен (рис.2,б; 3). Такая форма включений серы является особенно вредной, так как при горячей обработке давлением получаются надрывы и трещины. Ну а если вспомнить, что эвтектика имеет наименьшую температуру плавления среди фаз данного сплава, то ясно, что в процессе нагрева стали вокруг оторочек сернистого железа, начиная с температуры 988 ºС, происходит оплавление (т.е. образование расплава в соответствии с диаграммой состояния Fe-S). Поэтому при 800 ºС и выше, т.е. при температуре красного каления, сталь становится хрупкой. О калении на этом сайте сказано в статье «Каленый и закаленный – в чем разница?». Хрупкость стали при температуре красного каления носит название «красноломкость». Поэтому сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением.


а	б

Рисунок 2. Сульфиды железа в стали 45.

Рисунок 3. Сульфидные включения различной формы в стали 45.

Отдельные обособленные крупные включения сернистого железа (рис.4) уже менее вредны.


а	б

Рисунок 4. Обособленные включения сульфида железа: нетравленный образец, б – после травления.

Протяженные включения сульфидов железа можно видеть в исходно деформированной стали как в состоянии поставки (нормализация), так и после закалки и отпуска (рис. 5).


а	б

Рис. 5. Протяженные включения сульфидов железа в нормализованной (а) и в закаленной и отпущенной (б) стали 45

Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца:

FeS + Mn  MnS + Fe.

Сульфид марганца плавится при 1620 ºС, т.е. при температурах более высоких, чем температура горячей обработки. Сульфид марганца нерастворим также в жидком металле, поэтому невозможно образование легкоплавкой эвтектики с фазой сульфид марганца. Поэтому присутствие сульфида марганца в стали допустимо.
Включения сульфида марганца в сталях, как правило, наблюдаются хорошо. В отсутствие травления (рис.6,а) они имеют вид темных включений. В светлопольном освещении после травления включения светлые (рис.6,б). На том же участке структуры в темном поле (рис.6,в) включения выглядят темными. Здесь употреблен термин «прицельная металлография». Это означает, что один и тот же участок структуры фотографируют, например, до и после травления, чтобы показать особенности структуры. Или до и после какой-нибудь обработки, чтобы заметить изменения в структуре.


а	б

в

Рисунок 6. Структура стали 1.2312 HASCO (обозначение по DIN 40CrMnMoS86): а – нетравленый шлиф; б – после травления, светлое поле; в – после травления, темное поле; прицельная металлография.

При температурах горячей обработки (800—1200 ºС) сульфид марганца пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации в виде продолговатых включений (рис.6, а) или цепочек по границам зерна (рис.6, б). Встречаются отдельные крупные включения (рис. 7,а) или в виде сплошной окантовки вокруг зерна (рис. 7,б).


а	б

Рисунок 6. Крупные (а) и строчечные (б) включения сульфида марганца в структуре стали 1.2312 HASCO.


а	б

Рисунок 7. Включения сульфида марганца в стали 1.2312 HASCO; без травления.

Сульфиды железа можно наблюдать и в чугуне. Здесь показаны круглые (принято говорить «глобулярные») включения сульфидов в сером феррито-перлитном чугуне на фоне фосфидной эвтектики (рис.8), а также в зернах перлита и феррита (рис.9).

Рисунок 8. Сульфиды в сером чугуне на фоне фосфидной эвтектики.

Читайте также: