Сферы и области применения стали. Где применяется сталь?

Что представляет собой

Сталь – материал, сопровождающий человека по жизни. Это корпус автомобиля, лезвие кухонного или охотничьего ножа, инструменты, остов конструкций, тысячи других изделий.

Она не относится к металлам – это сплав железа, углерода, марганца и других примесей-лигатур.

Основной металл стали – железо.

Содержание компонентов сплава – железо (45+%), углерод (0,2-2,14%), примеси (остальное). Они могли бы составить формулу вещества.

На пару с чугуном – продукт черной металлургии.

Ее оттенок стал эталоном цвета – стального.

Видео

Классификация по химическому составу

В естественной среде железо реагирует с окислителями, галогенами, фосфором и серой. Для очищения сырья и преобразования оксидных соединений в роли восстановителя сначала применяли каменный уголь. Так при горении в недостатке кислорода, выплавляли чугун, из которого уже частично удалены оксиды и примеси, а доля углерода составляет не менее 2,14%. Для выплавления стали из полученной массы необходимо уменьшить его концентрацию до 2%.

Углеродистые

По составу отличаются от чугуна только концентрациями. При обработке снижается количество углерода и вредных включений. Соотношение кремния и марганца – может корректироваться для придания дополнительной прочности и стойкости к коррозии. По количеству углеродных соединений различают следующие группы:

  • Высокоуглеродистая (0,6-2%);
  • Среднеуглеродистая (0,25-0,55%);
  • Низкоуглеродистая (до 0,25%).

Углеродная составляющая участвует в формировании карбидов и укрепляет структуру на молекулярном уровне. Чем выше содержание, тем больше стойкость к механическим нагрузкам, особенно ударным. Понижение придает пластичность и возможность выпускать изделия повышенной точности. Из этих сплавов получают инструменты (топоры, валы), детали, испытывающие большое напряжение (оси, арматура) и малонагруженные (зубчатые колеса, пружины). Расшифровка характеристик стали производится по буквам:

  • Ст – сталь;
  • Цифра – номер, согласно регламенту, ГОСТ 380-2005;
  • Г – марганец выше 0,8%;
  • КП, ПС или СП – метод раскисления.

Группу объединяет название «конструкционные», их обозначают маркировками: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Отдельно выделяют группу с названием «инструментальные», они содержат 0,7% углерода и дополнительно очищаются от вредных составляющих. Расшифровка букв в обозначении согласно ГОСТ 1435-99:

  • У – углеродистая;
  • Цифры: углеродная концентрация в десятых долях процента;
  • Г – марганец выше 0,33%;
  • А – повышенное качество, серы не более 0,03%, фосфора – до 0,035%.

Инструментальные нелегированные стали обозначают следующими маркировками: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А.

Легированные

Для придания специальных свойств в расплав добавляют различные присадки. Процесс называют легированием. По соотношению легирующих элементов марки разделяют на низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (до 10%) и высоколегированные (до 50%).

В таблице приведены металлы, включения примесей и их обозначения в маркировке:

Марганец – Mn Г
Хром – Cr Х
Никель – Ni Н
Титан – Ti Т
Молибден – Mo М
Бериллий – Be Л
Медь – Cu Д
Азот – N А
Ванадий – V Ф
Ниобий – Nb Б
Алюминий –Al Ю (от ювенал)
Селен – Se E
Кобальт – Co К
Бор – B P
Фосфор – P П
Кремний –Si С (от силициум)
Цирконий –Zr Ц

Например, 08Х18Н10 расшифровывается как 0,08% углерода (С), 18 % хрома (Cr), 10% никеля (Ni). Обозначаются не все составляющие, а только говорящие об основных свойствах. Легирование применяется во всех случаях, когда неприемлемо использование углеродистых сплавов. Технический процесс сложнее и дороже, но присадки помогают продлить срок службы в сложных условиях или создать материал со специальными возможностями.

Также в начале маркировки могут присутствовать такие обозначения:

Р — быстрорежущая; Ш — шарикоподшипниковая; А — автоматная; Э — электротехническая.

У этих марок есть ряд особенностей:

  1. в шарикоподшипниковых сталях содержание хрома указывается в десятых долях процента (например, сталь ШХ4 содержит 0,4% хрома);
  2. в марках быстрорежущей стали после буквы Р сразу ставится число, указывающее содержание вольфрама в процентах. Также все быстрорежущие стали содержат 4% хрома (Х).


Пример расшифровки стали 30ХГС

Маркировка сталей по американской и европейской системам

Собираетесь купить металлопрокат? В нашем магазине разумные цены и качество производителя.

В США существует несколько систем маркировки сталей, разработанных различными организациями по стандартизации. Для нержавеющих сталей, чаще всего, применяют систему AISI, которая действует и в Европе. Согласно AISI, сталь обозначается тремя цифрами, в отдельных случаях после них идут одна или несколько букв. Первая цифра говорит о классе стали, если она – 2 или 3, то это аустенитный класс, если 4 – ферритный или мартенситный. Следующие две цифры обозначают порядковый номер материала в группе. Буквы обозначают:

  • L – низкую массовую доля углерода, менее 0,03%;
  • S – нормальную концентрацию С, менее 0,08%;
  • N – означает, что добавлен азот;
  • LN – низкое содержание углерода сочетается с добавкой азота;
  • F – повышенную концентрацию фосфора и серы;
  • Se – сталь содержит селен, В – кремний, Cu – медь.


В Европе применяется система EN, которая отличается от российской тем, что в ней сначала перечисляются все легирующие элементы, а затем в том же порядке цифрами указывается их массовая доля. Первая цифра – концентрация углерода в сотых долях процента.

Если легированные стали, конструкционные и инструментальные, кроме быстрорежущих, включают более 5% хотя бы одной легирующей добавки, перед содержанием углерода ставят букву «Х».

Страны ЕС применяют маркировку EN, в некоторых случаях параллельно указывая национальную марку, но с пометкой «устаревшая».

Назначение стали


Конструкционные углеродистые стали используют в машиностроении для сварных, болтовых конструкций, для изготовления рельс, колесных пар поездов, для деталей грузоподъемников, а также для кровельных работ. Маркируют цифрами, означающими содержание углерода в десятых долях:

  • Ст20 – малонагруженные детали (упоры, валики, копиры и т.п.);
  • Ст35 – выдерживающие небольшие напряжения (тяги, валы, рычаги, оси, диски);
  • Ст45 – требующие повышенной прочности (Муфты, оси, зубчатые рейки, валы).

Конструкционные легированные стали эксплуатируют в изготовлении пружин, рессор, автомобильных деталей, гусениц трактора, деталей турбин и т.д.

Конструкционные стали делят на следующие группы:

  • строительные – это низколегированные стали с низким содержанием углерода. Такое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость, высокую прочность, устойчивость к низким температурам. Используют ее для изготовления металлоконструкций различных сооружений, армирования железобетонных конструкций, трубопроводов и т.д. Выпускают в виде листового, фасонного и сортового проката, поковок и штамповок;
  • цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию переменных и ударных нагрузок;
  • улучшаемые стали подвергают термообработке и закалке при температуре 820о-880оС, после чего они принимают структуру сорбита и хорошо воспринимают ударные нагрузки;
  • жаростойкие и жаропрочные сплавы обладают высокой стойкостью к химическому разрушению в газовых средах при температуре эксплуатации +950о. Их применяют при изготовлении деталей газовых турбин реактивной авиации, при перекачке нефти и нефтепродуктов, в нагревательных металлургических печах, в судовых газотурбинных установках;
  • автоматные стали используют для изготовления малонагруженных деталей массового производства (гайки, болты, винты и т.п.) Автоматные стали содержат повышенное количество серы и фосфора, поэтому лучше обрабатываются резанием, что в итоге обеспечивает ровную и чистую поверхность детали;
  • износостойкие сплавы предназначены для изготовления деталей, работающих в экстремально тяжелых условиях (ковши экскаваторов, траки гусеничных машин, крестовины железнодорожных путей и т.д.). Они обладают повышенной твердостью благодаря легирующим элементам, таким как марганец, и способны выдержать высокое давление и удары, и воздействия абразивного трения;
  • коррозийно-стойкие или нержавеющие стали содержат большое количество никеля и хрома (не менее 12%). Чем больше процент содержания хрома, тем выше коррозийная стойкость, так как хром образует защитную оксидную пленку. Применяют их для изготовления клапанов гидравлических прессов, лопаток турбин, пружин, дисков, труб.

Инструментальные стали используют при производстве режущих инструментов (зубил, молотков, отверток, ножей, ножниц, сверл), а также для изготовления деталей измерительных приборов и хирургических инструментов. Такую сталь используют при изготовлении штампов горячего и холодного деформирования и деталей машин, которые испытывают повышенный износ в процессе умеренной динамической нагрузки (шариковые или роликовые подшипники, ходовые винты и зубчатые колеса, которые используются в аппаратах высокой точности и т.п.). Инструментальная сталь отличается высокой прочностью и твердостью, производится по технологии горячего проката и классифицируется по категориям:

  • углеродистая (пониженной прокаливаемости);
  • легированная (повышенной прокаливаемости);
  • быстрорежущая.

Рассмотрим самый лучший вид инструментальной стали подробнее.

Инструментальная легированная сталь относится к среднелегированным сталям. Высокую прочность, износоустойчивость, способность выдерживать высокие температуры и при этом не терять твердость и другие ценные свойства придет инструментальным сталям введение марганца, кремния, никеля, хрома, вольфрама, ванадия и молибдена. Углеродистые стали более хрупкие, особенно после закалки, поэтому инструменты из такой стали теряют свою твердость при нагреве до 2000оС. Инструментальную легированную сталь используют для производства разнообразного ударно-штампованного, измерительного, режущего и прочего инструмента. 
Инструментальная легированная сталь делится на две группы:

  • для режущего и измерительного инструмента марок 7XФ, 8ХФ, 11Х, 13Х, ХВ5, В1, 9ХС, ХВГ, 9ХВГ, ХВГС, 9Х5Ф, 9Х5ВФ,8Х4ВФ1. Из них изготавливают пилы, резцы, фрезы, метчики, развертки, сверла, клейма;
  • для штампованного инструмента марок 9Х, Х6ВФ, Х12, 5ХНМ, 5ХГМ, 6ХВТ. Ее применяют для изготовления горячих и холодных штампов, молотовых штампов, пресс-форм.

Быстрорежущая сталь отличается высокой твердостью и теплостойкостью. Она входит в группу высоколегированных сталей. Марки быстрорежущей стали: Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р9Ф5, Р9К10, Р18Ф2 и др. Эти стали применяют при обработке широкого круга конструкционных материалов, для резьбонарезных инструментов, работающих с ударными нагрузками, для отделки материалов с абразивными свойствами (пластмасс, эбонита) и т.д. Быстрорежущую сталь отличается крайне высокой твердостью и красностойкостью до температуры 600оС. Такая сталь способна выдерживать нагрев при высокой скорости резьбы, что позволяет увеличить скорость работы металлообрабатывающего оборудования и продлить срок его службы.

Есть еще стали с особыми химическими свойствами. Это легированные стали, с определенными характеристиками, которые обусловлены свойствами легирующего элемента. К особым химическим и физическим свойствам стали относятся:

  • магнитные и немагнитные;
  • электротехническая стал;
  • нержавеющие жаропрочные;
  • окалийные;
  • с особыми температурными свойствами.

Применение углеродистой стали

Стоит отметить, что определенный вид и марка стали имеет свою область применения. Так, углеродистая инструментальная сталь высокой и повышенной прочности различных марок используется для производства слесарных зубил, молотков, отверток, кос, столярных инструментов, пил, ножниц, ножей рубильных машин, токарных резцов по дереву.

Из низкоуглеродистых сталей изготавливают разные изделия с помощью холодной штамповки, а также для небольших деталей (малонагруженных зубастых колес, толкателей). Среднеуглеродистые стали также применяются для изготовления деталей небольших размеров – шестерней, шатунов, маховых колес. Стали с самым высоким содержанием углерода – высокоуглеродистые — используются для производства пружин различных размеров и рессор разных видов.

Из качественной углеродистой стали марок У7, У8Г, У9, У12 и У13 производят сверла, кузнечные инструменты, резцы, а также инструменты для обработки камня и дерева.

Примеры маркировки

Читать и понимать название марки – это базовый навык любого сотрудника металлургической промышленности. Но иногда в этом могут помочь таблицы с распространенными видами сплава. В приведенном ниже перечне указано, какие легирующие химэлементы находится в составе и что они дают:

Легирующий элементОбозначениеСвойства, придаваемые сталямПримеры марок сталей
Азот (N)АОбработка в атмосфере азота (азотирование) приводит к образованию твёрдого раствора в феррите, нитридных соединений, что придаёт твёрдость поверхностным слоям
Ниобий (Nb)БНиобий повышает кислотостойкость сталей03Х16Н15М3Б
Вольфрам (W)ВВольфрам увеличивает твердость и красностойкость, способность сохранять при высоких температурах износостойкость. Вольфрам придает стали вязкость.В18 В6М5К5
Марганец (Mn)ГПри содержании свыше 1 процента увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок. Марганец в виде ферромарганца применяется для «раскисления» стали при её плавке, т. е. для удаления из неё кислорода. Связывает серу, что также улучшает свойства сталей. Иногда в сочетании с другими легирующими металлами, сильно упрочняет сталь, делает её твердой и сопротивляющейся износу и ударам (сталь резко упрочняется и становится тверже при ударах). Такая сталь используется для изготовления шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов и т. д.14Г2 ШХ15ГС 30ХГС-Ш А40Г
Медь (Cu)ДМедь уменьшает коррозию сталей10Х18Н3Г3Д2Л
Кобальт (Co)ККобальт повышает жаропрочность, магнитопроницаемостьР6М5К5
Молибден (Mo)ММолибден увеличивает красностойкость, прочность, коррозионную стойкость при высоких температурах. Молибден используется для легирования сталей, как компонент жаропрочных и коррозионную стойких сплавов.Р6М5К5 03Х16Н15М3Б
Никель (Ni)ННикель повышает прочность, пластичность, коррозионную стойкость. Введение достаточного количества никеля (Ni) в хромистую сталь обеспечивает лучшую механическую прочность, делает сталь более стойкой к коррозии (нержавеющая сталь) и к низким температурам.03Х16Н15М3Б 12Х2Н4А
Фосфор (P)ППовышает текучесть, хрупкость
Бор (B)РУвеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.
Кремний (Si)СПридает прочность, увеличивает ударную вязкость, способствует раскислению.30ХГС-Ш 60С2ХФА 33ХС 38ХС
Титан (Ti)ТПовышает прочность, сопротивление коррозии
Ванадий (V)ФПовышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию. Замедляет старение стали.9Х2МФ
Хром (Cr)ХПовышает твердость, коррозионную стойкость. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое; чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика. При введении легирующих элементов происходит скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Стали хорошо свариваются.ШХ15ГС 30ХГС-Ш ШХ6 03Х16Н15М3Б 40Х
Цирконий (Zr)ЦЛегирование сталей цирконием (до 0,8 %) повышает их механические свойства и обрабатываемость.
Алюминий (Al)ЮАлюминий повышает окалиностойкость Алитированием придают коррозионную и окалиную стойкость стальным и другим сплавам. Повышает жаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых других металлов. Замедляет старение стали.АК7М2АК21М2
Редкоземельные металлыЧИспользуются для связывания серы, фосфора в тугоплавкие соединения

Классификация и виды

Сталь классифицируется по химическому составу, по содержанию добавок, по способу изготовления, по уровню раскисления и по другим группам.

По химическому составу она бывает углеродистая и легированная. В углеродистой, помимо углерода и железа, присутствует кремний (до 0,3%) и марганец (до 1,1%).

Для придания особенных качеств в сплав вводят легирующие добавления (обычно металлы): хром, алюминий, титан, азот, фосфор, кремний, углерод, бор и др.

Низкоуглеродистые высококачественные конструкционные стали по определению имеют небольшую прочность и высокую пластичность.

Среднеуглеродистые высококачественные (Ст 30−55) применяются после поверхностного закаливания и нормализации для создания деталей, имеющих высокую прочность сердцевины. Ст 60 — Ст 85 имеют большую прочность, износоустойчивость, свойства упругости.

Высококачественная отличается сложным химсоставом с уменьшенной долей фосфора и серы. Сталь обычного качества (доля углерода меньше 0,6%) обозначается Ст 1−6. Символы «Ст» указывают на материал обычного качества, а цифры − номер маркировки исходя из свойств.

В качественной стали доля углерода приводится в сотых процента, добавочно могут указываться характер затвердения и уровень раскисления. Она характеризуется высоким уровнем свариваемости и большой пластичностью.

По уровню раскисления подразделяется на следующие виды:

  1. Спокойную (Ст3сп) — проходит полное раскисление с минимумом содержащихся в ней примесей и шлаков.
  2. Полуспокойную (Ст3пс) — полученную при раскислении жидкого металла, менее полном, чем при выплавливании спокойной, но большем, чем при изготовлении кипящей.
  3. Кипящую (08кп) — неокисленная с большим содержанием включений неметаллов.

По области применения сталь бывает строительной, инструментальной, конструкционной и легированной.

Строительная имеет прекрасную свариваемость. Цифра показывает условный номер состава по ГОСТ. Чем он выше, тем прочнее сплав (например, чугун) и тем меньше его пластичность.

Легированная — универсальная, которая содержит специальные примеси. В ней кремния больше 0,6%, марганца — 0,9%. Если содержание легирующего компонента выше 1,5%, то оно записывается цифрой, следующей за определённой буквой:

  1. Низколегированная — легирующих составляющих до 2,4% (09Г2С, 18ХГТ, 10ХСНД). Отличается большой прочностью благодаря повышенному лимиту вязкости, что крайне необходимо для конструкций большой ответственности.
  2. Среднелегированная (от 2,4 до 10%).
  3. Высоколегированная (от 10 до 50%).

Сталь 09Г2С используется для парового оборудования, работающего под температурой от -70 до +450°C и давлением, а также для ответственных сварных листовых конструкций в нефте- и химмашиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД применяют для сварных конструкций химмашиностроения, профилей в вагоностроении, судовом строении. 18ХГТ используется для элементов, которые функционируют на больших скоростях, нагрузках и давлении.

Сталь специального назначения — сплав с особенными физическими качествами. Используется в электротехнической отрасли и точном судовом строении.

По нормируемым параметрам делится на категории: от 1 до 5. Ими обозначают химсостав, предельную вязкость, механические качества при растяжении. К примеру, категория 1 — химсостав не нормируем, категория 3 — имеет нормируемую максимальную вязкость при t = +20°C. Для Ст0 не нормируют ни химсостав, ни ударную текучесть.

Плюсы и минусы

Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.

Достоинства стали:

  1. Прочность, твердость.
  2. Вязкость, упругость.
  3. Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
  4. Износостойкость, долговечность.
  5. Распространенность сырья.
  6. Простота, рентабельность производства.
  7. Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.

Плюс ценовая доступность продукции.

Недостатки материала:

  1. Массивность.
  2. Беззащитность перед коррозией.
  3. Склонность к аккумуляции электрического потенциала.

Эти изъяны некритичны, есть способы их нейтрализации.

Оцинкованная сталь

Оцинкованная сталь это та же углеродистая сталь с нанесенным покрытием, предохраняющим металл от коррозии. Как можно догадаться в качестве покрытия оцинкованной стали используется материал с высокими антикоррозионными свойствами — цинк. Технологический процесс нанесения цинка на углеродистую сталь называется цинкованием или гальванизация.  Существует два способа нанесения цинкового покрытия – погружение в расплавленный цинк и метод электролиза, выделение цинка на поверхности стали из солей цинка под воздействием электрического тока.

Более подробно подробную информацию читайте в статье «».

Теги

Adblock
detector