Сталь – продукт черной металлургии, главный конструкционный материал. Из него производят строительную арматуру, металлопрокат различного профиля, трубы, детали, механизмы и инструменты.
Производство стали
Черная металлургия занимается производством чугуна и стали. Чугун – твердый, но не прочный материал. Сталь – прочный, надежный, пластичный, склонный к легированию металл, используемый в литейном производстве, прокатке, ковке и штамповке.
Существует несколько способов выплавки стали:
- Конверторный. Оборудование: кислородный конвертор. Шихта (исходные материалы): белый чугун, стальной металлолом, известняк. Производятся только углеродистые стали.
- Мартеновский. Оборудование: мартеновская печь. Шихта: жидкий чугун, стальной металлолом, железная руда. Универсален как для углеродистых, так и для легированных сталей.
- Электродуговой. Оборудование: электродуговая печь. Шихта: стальной металлолом, чугун, кокс, известняк. Универсальный метод.
- Индукционный. Оборудование: индукционная печь. Шихта: стальной и чугунный металлолом, ферросплавы.
Суть процесса производства стали – уменьшение количества негативных химических включений с целью получения металла, который в народе называют «железом», а точнее – железоуглеродистого сплава с содержанием углерода в нем не больше 2,14%.
Процессы раскисления
Для стали на завершающем этапе выплавки характерен процесс кипения, на который влияют присущие в ней азот, водород, окиси углерода. Такой сплав в затвердевшем состоянии имеет пористую структуру, которая убирается прокаткой. Он мягкий и пластичный, однако недостаточно прочный.
Процесс раскисления заключается в деактивации кипящих примесей путем ввода в сплав ферромарганца, ферросилиция, алюминия. В зависимости от количества остаточных газов и раскислительных элементов, сталь может быть полуспокойная или спокойная.
Готовую сталь требуемой степени раскисления разливают в изложницы для кристаллизации и использования на последующих технологических этапах изготовления готовой стальной продукции.
Классификация углеродистой стали
Всю сталь, существующую на мировом рынке, можно разделить на углеродистую и легированную. Все марки углеродистой стали разделяются по разным группам классификатора и особенностям обозначения.
Исходя из основных классификационных признаков, выделяют:
- Углеродистые конструкционные стали. В них карбона меньше 0,8%. Они используются для изготовления арматуры, прокатной продукции и литья.
- Углеродистые инструментальные стали, которые содрежат карбон в количестве от 0,7% до 1,3%. Их используют для инструментов, оборудования приборов.
По способам раскисления:
- кипящие - раскислительных элементов (РЭ) в составе меньше 0,05%;
- полуспокойные - 0,05%≤РЭ≤0,15%;
- спокойные - 0,15%≤РЭ≤0,3%.
По химическому составу:
- малоуглеродистые (0,3%≤С);
- среднеуглеродистые (0,3≤С≤0,65%);
- высокоуглеродистые (0,65≤С≤1,3%).
Стали, содержащие углерод в количестве выше 1,3%, не используются в промышленности.
В зависимости от микроструктуры:
- доэвтектоидные - в такой стали углерода в составе меньше 0,8%;
- эвтектоидные - это стали с содержанием углерода 0,8%;
- заэвтектоидные - стали с содержанием углерода свыше 0,8%.
По качеству:
- Обычного качества. Серы здесь содержится меньше 0,06%, фосфора – не больше 0,07%.
- Качественные стали. Они не содержат серы и фосфора больше 0,04%.
- Высококачественные. Количество серы тут не превышает 0,025%, а фосфора – не больше 0,018%.
По основному стандарту марки углеродистой стали распределяют на:
- конструкционные обычного качества;
- конструкционные качественные;
- инструментальные качественные;
- инструментальные высококачественные.
Особенности маркировки конструкционной стали обыкновенного качества
Стали обыкновенного качества содержат: С – до 0,6%, S – до 0,06%, P – до 0,07%. Давайте рассмотрим, как маркируется эта углеродистая сталь. ГОСТ 380 определяет следующие нюансы обозначения:
- А, Б, В – группа; А – не обозначается в марках;
- 0–6 после букв «Ст» – порядковый номер, в котором зашифрован химический состав и (или) механический свойства;
- Г – наличие Мангана Mn (марганца);
- кп, пс, сп – степень раскисления (кипящая, полуспокойная, спокойная).
Цифры от 1 до 6 после обозначения степени раскисления через тире - это категории. При этом первая категория не обозначается никак.
Буквы же М, К в начале марки могут означать металлургический способ производства: мартеновский или кислородно-конверторный. Между прочим, углеродистые стали обыкновенного качества представлены количественным составом марок, примерно в 47 штук.
Классификация конструкционных сталей обыкновенного качества
Углеродистые стали обыкновенного качества разделяются на группы.
- Группа А: стали, которые должны точно соответствовать заданным механическим свойствам. Потребителю они поставляются чаще всего в виде листового и многопрофильного проката (листы, тавры, двутавры, арматура, заклепки и корпуса). Марки: Ст0, Ст1 – Ст6 (кп, пс, сп), категории 1-3, в том числе Ст3Гпс, Ст5Гпс.
- Группа Б: стали, которые должны быть регламентированы необходимым химическим составом и свойствами. Изготавливается литье и прокат, который будет подвергаться дополнительной механической обработке давлением в горячем состоянии (ковка, штамповка). Марки: БСт0, БСт1 (кп-сп), БСт2 (кп, пс), БСт3 (кп-сп, в том числе БСт3Гпс), БСт4 (кп, пс), БСт 6 (пс, сп), категории 1 и 2.
- Группа В: стали, которые должны соответствовать нужным химическим, физическим, механическим и технологическим свойствам. Этой группе присуще разнообразие марок, из которых изготавливается пластичный листовой прокат, прочная арматура для работы в зонах значительных температурных перепадов, ответственные детали (болты, гайки, оси, пальцы поршней). Всю продукцию различного состава, свойств и марок этой группы объединяет хорошая технологическая свариваемость. Марки: ВСт1-ВСт6 (кп, пс, сп), ВСт5 (пс, сп), в том числе ВСт3Гпс, категории 1-6.
Конструкционные стали обыкновенного качества – сплавы, имеющие широкое разноплановое использование в промышленности.
Маркировка углеродистой качественной стали
Содержание углерода в стали названного качества от 0,05% до 0,6%. Выплавка металла этой классификационной группы происходит мартеновским или электродуговым способами. Широкий диапазон углеродного присутствия разнообразит механические свойства: низкоуглеродистые – пластичные, среднеуглеродистые – прочные.
Углеродистые качественные стали имеют в составе S и P не более 0,04%, соответственно.
Маркировка (ГОСТ 1050-88):
- цифры 05-60 – зашифрованное наличие углерода (минимальное – 0,05%, максимальное – 0,6%);
- кп, пс, сп – степень раскисления («сп» не обозначается);
- Г, Ю,Ф – содержат марганец, алюминий, ванадий.
Исключения в маркировке
Углеродистые качественные стали в своей маркировке имеют исключения:
- 15К, 20К, 22К – качественные стали, применимы в котлостроении;
- 20-ПВ – углерода – 0,2%, сталь применима в изготовлении труб методом горячей прокатки, в котлостроении и монтаже отопительных систем, содержит медь и хром;
- ОсВ – сталь для изготовления вагонных осей, содержит никель, хром, медь.
Для всех марок качественных сталей характерна возможная необходимость использования термической (к примеру, нормализация) и химико-термической обработки (к примеру, цементация).
Классификация углеродистых качественных сталей
Этот вид углеродистых сталей можно условно разделить на 4 группы:
- Высокопластичный материал, применимый для холодной механической обработки (прокатки), листовой и трубный прокат. Марки - сталь 08пс, сталь 08, сталь 08кп.
- Металл, используемый в горячей прокатке и штамповке, который будет работать в термически агрессивных условиях. Марки - от сталь 10 до сталь 25.
- Сталь, нашедшая применение в изготовлении ответственных деталей, в том числе пружин, рессор, муфт, болтов, валов. Марки - от сталь 60 до сталь 85.
- Стали, требующие надежной эксплуатации в агрессивных условиях (к примеру, цепь гусеничного трактора). Марки сталь 30, сталь 50, сталь 30Г, сталь 50Г.
Также возможно разделить на 2 группы все известные марки углеродистой стали из класса качественных: конструкционные обычные и конструкционные марганецсодержащие.
Применение углеродистой конструкционной стали
| Класс стали по качеству | Марка | Применение |
| обычного качества | Ст0 | арматура, обшивка |
| Ст1 | тавры, двутавры, швеллеры | |
| Ст3Гсп | строительный прокат | |
| Ст5сп | втулки, гайки, болты | |
| Ст6пс | строительные ломы | |
| ВСт4кп | фасонный, листовой, сортовой прокат для прочных конструкций | |
| качественная | Сталь10 | трубы для котлов, штамповки |
| Сталь15 | детали высокой пластичности, кулачки, болты, гайки | |
| Сталь18кп | сварные конструкции | |
| Сталь 20пс | оси, вилки, пальцы, штуцера, патрубки | |
| Сталь50 | зубчатые колеса, муфты сцепления | |
| Сталь60 | шпиндели, шайбы, пружинные кольца |
Углеродистые инструментальные стали отличаются высокой прочностью и ударной вязкостью. Они обязательно подлежат многоступенчатой термообработке.
Содержание углерода в стали: 0,7 – 1,3%. Для качественной – до 0,03%, фосфора – до 0,035%. А для инструментальной высококачественной: серы – до 0,02%, фосфора – до 0,03%.
Марочное обозначение (ГОСТ 1435-74):
- У – углеродистая инструментальная;
- 7 -13 – содержание углерода в ней 0,7-1,3%, соответственно;
- Г – наличие в составе марганца;
- А – высококачественная.
Исключениями из основных принципов маркирования углеродистых инструментальных сталей – материал для деталей часовых механизмов А75, АСУ10Е, АУ10Е.
Требования к углеродистым инструментальным сталям
В соответствии с ГОСТом, инструментальные стали должны соответствовать ряду характеристик.
Необходимые физико-химические и механические свойства: качественные показатели твердости, ударной вязкости, прочности, стойкости к температурным изменениям во время эксплуатации (во время резки, сверления, ударных нагрузок), устойчивость к коррозии.
Заданные технологические свойства:
- стойкость к негативным процессам технологии резания (налипание стружки, наклеп);
- хорошая обрабатываемость точением и шлифованием;
- податливость к термообработке;
- стойкость к перегреву.
Для повышения качественных механических и технологических показателей инструментальные стали подвергают многоступенчатой термообработке:
- отжиг исходного материала перед изготовлением инструментов;
- закалка (охлаждение в растворах солей) и последующий отпуск готовых изделий (в основном, низкий отпуск).
Полученные свойства определяются химическим составом и полученной микроструктурой: мартенсит с цементитными и аустенитными включениями.
Использование углеродистых инструментальных сталей
Применяются описываемые стали для изготовления всевозможных инструментов: режущих, ударных, вспомогательных.
- Сталь У7, У7А – молотки, зубила, топоры, стамески, кувалды, долота, рыболовные крючки.
- Сталь У8, У8А, У8Г – пилы, отвертки, кернеры, зенковки, фрезы, плоскогубцы.
- Сталь У9, У9А – слесарный инструмент, инструмент для резки по дереву.
- Сталь У10, сталь У10А, У11, У11А – рашпили, метчики, спиральные сверла, вспомогательный инструмент для штамповки и калибровки.
- У 12, У12А – развертки, метчики, измерительные инструменты.
- У13, У13А – напильники, бритвенные и хирургические инструменты, штамповочные пуансоны.
Рациональный выбор марки углеродистой стали, технологии ее термообработки, понимание ее свойств и особенностей – залог длительной службы производимых, обрабатываемых или используемых конструкций или инструментов.
