Сталь и изделия из нее

Обновлено: 22.01.2025

Сталь — это сплав железа с углеродом (до 2% углерода). По химическому составу сталь разделяют на:

По качеству сталь разделяют на:

сталь обыкновенного качества;
качественную;
повышенного качества;
высококачественную.

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на три группы:

А — поставляемую по механическим свойствам и применяемую в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (Ст0, Ст1 и др.);
Б — поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а уровень их, кроме условий обработки, определяется химическим составом (БСт0, БСт1 и др.);
В — поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Стбпс, Стбсп.

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры — условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы «кп», «пс», «сп» — степень раскисления «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная).

Сталь углеродистая качественная конструкционная по видам обработки при поставке делится на:

горячекатаную и кованую;
калиброванную;
круглую со специальной отделкой поверхности, серебрянку.

Легированную сталь по степени легирования разделяют:

низколегированная (легирующих элементов до 2,5%);
среднелегированная (от 2,5 до 10%);
высоколегированная (от 10 до 50%).

В зависимости от основных легирующих элементов различают сталь 14 групп.

К высоколегированным относят:

коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии; межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;
жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре выше 50 °C, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии;
жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Сталь легированную конструкционную в зависимости от химического состава и свойств делят:

качественная;
высококачественная А;
особо высококачественную Ш (электрошлакового переплава).

По видам обработки при поставке различают сталь:

горячекатаная;
кованая;
калиброванная;
серебрянка.

По назначению изготовляют прокат:

для горячей обработки давлением и холодного волочения (подкат);
для холодной механической обработки.

2. Классификация углеродистых сталей

Стали подразделяются на углеродистые и легированные. По назначению различают стали конструкционные с содержанием углерода в сотых долях процента и инструментальные с содержанием углерода в десятых долях процента. Наибольший объем сварочных работ связан с использованием низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

Основным элементом в углеродистых конструкционных сталях является углерод, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали выплавляют обыкновенного качества и качественные. Стали углеродистые обыкновенного качества подразделяются на три группы:

группа А — по механическим свойствам;
группа Б — по химическому составу;
группа В — по механическим свойствам и химическому составу.

Изготавливают стали следующих марок:

группа А — Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;
группа Б — БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;
группа В — ВСт0, ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет следующее обозначение:

кп — кипящая,
пс — полуспокойная,
сп — спокойная.

Кипящая сталь, содержащая кремния (Si) не более 0,07%, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вредных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при раскислении марганцем, алюминием и кремнием, и содержит кремния (Si) не менее 0,12%; сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.

Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает промежуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1—5 выплавляют с нормальным и с повышенным содержанием марганца, примерно до 1%. В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).

Стали группы А не применяются для изготовления сварных конструкций. Стали группы Б делятся на две категории. Для сталей первой категории регламентировано содержание углерода, кремния марганца и ограничено максимальное содержание серы, фосфора, азота и мышьяка; для сталей второй категории ограничено также максимальное содержание хрома, никеля и меди.

Стали группы В делятся на шесть категорий. Полное обозначение стали включает марку, степень раскисления и номер категории. Например, ВСтЗГпс5 обозначает следующее: сталь группы В, марка СтЗГ, полуспокойная, 5-й категории. Состав сталей группы В такой же, как сталей соответствующих марок группы Б, 2-й категории. Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех категорий и степеней раскисления выпускаются с гарантированной свариваемостью. Стали БСт1, БСт2, БСтЗ поставляют с гарантией свариваемости по требованию заказчика.

Углеродистую качественную сталь выпускают в соответствии с ГОСТ 1060—74. Сталь имеет пониженное содержание серы. Допустимое отклонение по углероду (0,03—0,04%). Стали с содержанием углерода до 0,20%, включительно, могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Остальные стали — только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр, буквы «сп» не ставят.

Углеродистые стали в соответствии с ОСТ 14-1-142—84 подразделяются на три подкласса:

низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25%;
среднеуглеродистые с содержанием углерода (0,25—0,60%);
высокоуглеродистые с содержанием углерода более 0,60%.

В сварных конструкциях в основном применяют низкоуглеродистые стали.

В сварочном производстве очень важным является понятие о свариваемости различных металлов.

Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

По свариваемости углеродистые стали условно подразделяются на четыре группы:

I — хорошо сваривающиеся;
II — удовлетворительно сваривающиеся, т. е. для получения качественных сварных соединений деталей из этих сталей необходимо строгое соблюдение режимов сварки, специальные присадочные материалы, определенные температурные условия, а в некоторых случаях — подогрев, термообработка;
III — ограниченно сваривающиеся, для получения качественных сварных соединений необходим дополнительный подогрев, предварительная или последующая термообработка;
IV — плохо сваривающиеся, т. е. сварные швы склонны к образованию трещин, свойства сварных соединений пониженные, стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций.

Все низкоуглеродистые стали хорошо свариваются существующими способами сварки плавлением. Обеспечение равнопрочности сварного соединения не вызывает затруднений. Швы имеют удовлетворительную стойкость против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием углерода. Однако в сталях, содержащих углерод по верхнему пределу, вероятность возникновения холодных трещин повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях, для предупреждения появления трещин, применяют предварительный подогрев до 120—200 °C.

В табл. 1. приведено обозначение химических элементов в марке легированной стали, а в табл 2 — состав некоторых марок сталей. В табл. 3 приведено примерное назначение различных марок сталей.

Таблица 1. Обозначение химических элементов в марке легированной стали

Таблица 2. Массовая доля химических элементов в различных марках стали в %

Материаловедение: сталь

Что такое сталь? Каковы плотность, температура плавления и другие характеристики стали? В чем роль стального проката в производстве, и как объяснить неуклонный рост цен на сталь в последние годы? Обо всем этом и не только – в нашей новой статье.

Сталь – сплав железа (Fe) с углеродом (C). При этом доля углерода в составе мала: до 2,14% в теории и обычно не более 1,5% на практике. Как и в любых других сплавах, в сталях всегда присутствуют примеси (сера, фосфор, кремний), а для улучшения свойств могут вводиться легирующие элементы.

В силу высокой прочности, жесткости, а также из-за дешевизны сталь используется повсеместно и считается ключевым продуктом черной металлургии. Что важно в свете «зеленых» трендов: сталь можно перерабатывать практически бесконечно. По данным Всемирной ассоциации стали, 75% стальных изделий, выпущенных с момента появления мартеновской плавильной печи в 1864 году, до сих пор в обиходе.

Эти железосодержащие сплавы похожи и по составу, и способом получения. Принципиальное различие в доле углерода. Если его меньше 2,14% от состава, то это сталь; если больше – чугун. Во многом отсюда и разница в свойствах. Так, сталь легче в обработке, тверже и прочнее, ее не разбить ударом. Чугун же хрупче, тяжелее, но более теплоемкий (дольше держит тепло) и в отличие от стали подходит для литья, в том числе художественного. Отметим также, что чугун часто используется для передела в сталь.

Отметим, что у стали высокая температура плавления – это не ЦАМ, не свинец и уж тем более не олово, которые можно плавить у себя на кухне. Сами по себе стальные изделия увесистые – в 2,5 раза тяжелее аналогичных алюминиевых (плотность сплавов алюминия – 2400-2900 кг/м³). Ну и очевидное: все черные стали реагируют на магнит. Причем чем меньше в них углерода, тем лучше магнитные свойства.

Все знают: железо и его сплавы ржавеют. Сталь не исключение. Главная причина появления ржавчины – повреждение оксидной пленки. У тех же алюминия, хрома и никеля она тонкая, но плотная и прочная – настолько, что атомы кислорода не в состоянии диффундировать через нее. У сталей же оксидная пленка хоть и плотная, но непрочная и в любых условиях быстро растрескивается.

Для предотвращения окисления и развития ржавчины сталь покрывают химическим способом – например, оцинковкой, погружая заготовку в бак с расплавленным цинком. В этом случае молекулы цинка реагируют с молекулами железа, и на поверхности образуется защитный слой. Для закрепления эффекта его покрывают дополнительными слоями цинка. Идея способа основана на том, что отрицательный потенциал цинка выше, чем у железа, и в такой паре железо будет восстанавливаться, а цинк отважно послужит щитом для коррозии.

Чтобы металлические конструкции не ржавели, применяют стали, легированные хромом (12-20%) и некоторыми другими металлами, такими как никель, титан и молибден. Защита от ржавчины здесь заключается в формировании инертного слоя оксида хрома, способного к самовосстановлению.

Сразу развеем расхожий миф, что нержавеющая сталь якобы не магнитится. По факту это справедливо для хромникелевых и хромомарганцевоникелевых сталей, к которым относится всем известная пищевая нержавейка. В то же время техническая нержавеющая сталь, из которой делают клапаны, фитинги и трубы, на магнит вполне себе реагирует.

Впрочем, термообработка не ограничена одной закалкой. Есть еще как минимум отжиг, нормализация и отпуск. Отжигу сталь подвергают для улучшения обработки (принося в жертву твердость); нормализации – для выравнивания структуры и устранения зернистости. Отпуск нужен для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости (пусть, опять же, и в ущерб твердости). Отметим, что отпуск выполняется после закалки и считается важным этапом термообработки, тогда как без отжига и нормализации зачастую можно обойтись.

В любой марке стали есть примеси, пусть и в микроскопическом количестве. Некоторые, такие как кремний, даже улучшают свойства сплава. Однако вредных примесей больше; среди них сера, фосфор, а также газы: кислород, азот и водород.

• Хром (Cr). Придает износостойкость, способность к закаливанию и устойчивость к коррозии. Стали с содержанием хрома от 12% относят к нержавеющим.

• Марганец (Mn). Может присутствовать в виде примесей. Дополнительная присадка марганца улучшает прокаливаемость стали и нивелирует вредное воздействие серы.

• Молибден (Mo). Одна из главных упрочняющих легирующих добавок в жаропрочных сталях. Доля в составе незначительна: 0,15-0,8%.

• Ванадий (V). С ним сталь становится прочнее и устойчивее к износу. Содержание: 1,0-1,5% в штамповых сталях, 0,2-0,8% в специальных.

Содержат только железо, углерод и примеси. Определяющий элемент – углерод: чем его больше, тем сталь жестче и тверже. Чем меньше – тем сталь пластичней, ударопрочней, удобнее в обработке и сварке.

Легированные – это стали, которые кроме основных компонентов и примесей содержат специально вводимые легирующие добавки. По типу легирования такие стали подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромо-никель-кремний-марганцовистые и др. По доле легирующих элементов в составе – на низко- (<5% С), средне- (5-10% C) и высоколегированные (>10% C).

Качество стали определяется спецификой производственных процессов, перерабатываемым сырьем, видом плавки и другими факторами. Все это, в свою очередь, напрямую зависит от состава сплава и содержания в нем примесей.

Стали обыкновенного качества. Рядовые углеродистые стали, где углерода менее 0,6%, серы – в диапазоне 0,045-0,060%, фосфора – 0,04-0,07%. Являясь самыми дешевыми, такие стали уступают сталям остальных классов по всем ключевым свойствам.

Качественные стали. Могут быть углеродистыми (марки 08, 10, 15…) или легированными (0,8кп, 10пс…). Нормативы по примесям: серы – не более 0,04%, фосфора – 0,035-0,04%.

Высококачественные стали. Углеродистые или легированные. Содержание примесей: серы – не более 0,02%, фосфора – не более 0,03%. Примеры марок: стали 20А, 15Х2МА.

Особовысококачественные стали. Эти стали только легированные и содержат не более 0,015% серы и не более 0,025% фосфора. Примеры марок: 20ХГНТР-Ш, 18ХГ-Ш.

Идут на изготовление сварных строительных конструкций, узлов механизмов, деталей машин. Могут быть углеродистыми или легированными. Примеры марок: Ст1, Ст2, Ст3; 05, 10, 15; 15Г, 20Х, 45 ХН и др.

Из них делают режущие и ударные инструменты – от лезвия топора и губок плоскогубцев до напильника и сверла. Само собой, такие стали должны быть твердыми, поэтому содержание углерода в них не менее 0,7%. Примеры марок: У7, У8ГА, У10А (У – углеродистая; число – усредненное содержание углерода, выраженное в десятых долях процента; Г – повышенное содержание марганца; А – высококачественная сталь).

По большому счету, это те же конструкционные стали, но со специфическим составом, особым способом производства или обработки. Нержавеющие, жаропрочные, электротехнические, кислотостойкие стали – все они относятся к специальным.

Речь о том, сколько кислорода было выведено из жидкого металла при производстве стали и сколько его по итогу осталось. В целом: чем меньше в сплаве остается кислорода, тем чище состав и однородней структура.

Кипящие стали (кп). Раскисляются только марганцем. Обычно это низкоуглеродистые стали с большим количеством оксидов углерода – отсюда просадка в прочности и пластичности. Как следствие, кипящие стали склонны к разрушению, растрескиванию, плохо свариваются и поэтому идут в ход лишь в простых конструкциях. Из плюсов: кипящая сталь самая дешевая.

Спокойные стали (сп). Раскисляются в плавильных печах и ковшах алюминием, марганцем, кремнием. В отличие от кипящих, спокойные стали стабильны: содержат мало остаточного кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газообразных примесей. Применение: конструкции ответственного назначения.

Полуспокойные стали (псп). Частично насыщенные кислородом стали, раскисляемые марганцем и алюминием. Всегда углеродистые. Среднепрочные, применяются в строительстве.

Нет более неудобного вопроса, чем «сколько стоит сталь»? Во-первых, какая и где – на бирже или у местных трейдеров металлопроката? Во-вторых, эта статья написана в марте 2022 года, когда экономику России (да и других стран мира) засосало в турбулентную фазу. Мы можем лишь констатировать, что в ближайшие год-два стоимость стали будет расти. Причем расти кратно, если сравнивать с допандемийным уровнем. Связано это с несколькими причинами:

• Первая волна коронавируса, во время которой приостанавливался сбор лома и ограничивалась работа сталеплавильных заводов. К осени 2020 года из-за лавины отложенного спроса и промедления трейдеров это привело к общемировому дефициту стали.

• Конфликт России с Украиной, последующие санкции, разрыв производственных и логистических цепочек. Это уже ускорило девальвацию рубля, а в перспективе может привести и к гиперинфляции, если конфликт окажется затяжным.

• Зеленые тренды в соответствии с определенными ООН целями в области устойчивого развития (ЦУР). Страны, включая мировую фабрику под названием Китай, уже сокращают выплавку стали ради снижения углеродного следа. Это в каком-то смысле парадоксально, ведь именно сталь – один из важнейших материалов для производства ветрогенераторов и электрокаров, так агрессивно насаждаемых на Западе.

В России фурнитуру для входных и межкомнатных дверей производят по большей части из низкоуглеродистой конструкционной стали. Одна из самых ходовых марок – Ст3 и ее аналоги. Из ее листов изготавливают дверные петли, корпуса и планки замков, розетки дверных ручек, задвижки и, например, крепеж. Подчеркнем: мы говорим о видимых элементах конструкции. Для тех же петельных подшипников есть инструментальные подшипниковые стали (например, ШХ-15). Для возвратных пружин в ручках и замках – средне- и высокоуглеродистая пружинная сталь.

(+) Прочность и антивандальность. Сталь крепче цветных металлов вроде алюминия, латуни и ЦАМ и дольше пилится. Вспомните корпуса гаражных навесных замков – там сплошь и рядом либо сталь, либо чугун.

(+) Дешевизна. Просто приценитесь, сколько стоят стальные дверные петли, а сколько – аналогичные по размерам латунные. Подсказка: первые дешевле в 3-5 раз.

(+) Магнитные свойства. Благодаря этому мы имеем счастье пользоваться такими чудесами инженерной мысли, как магнитные защелки и магнитные дверные стопоры.

(-) Низкие литейные качества. Снова обратимся к дверным петлям. В то время как латунные петли получают литьем под давлением, стальные – гибкой и штамповкой. Отсюда «побочные эффекты»: заметные швы и стыки, зазоры от 2 мм, неровные края, несоразмерность.

(-) Коррозия. Антикоррозийное покрытие рано или поздно повредится, и изделие начнет ржаветь. Кто-то возразит: но как же, есть же, скажем, дверные ручки из нержавеющей стали. А мы и не спорим. Но именно в России в частном секторе они не в ходу из-за дороговизны и ограниченности дизайна, продиктованной опять же низкими литейными качествами.

(-) Вес. Если вы подбираете небольшой и удобный в переноске навесной замок для багажа или противоугонного троса, то, возможно, есть смысл предпочесть алюминий. При одинаковых габаритах алюминиевый замок окажется в 2,5 раза легче стального. Тем более что упрочнение тела замка в данном случае неоправданно: в маленьких замках куда проще перекусить дужку, чем водить пилой по корпусу.

Особенности высокопрочных сталей

Знание особенностей высокопрочных сталей — в том числе и того, какая из них самая прочная, — очень полезно для заказчиков металлургической продукции. Внимание придется уделить конкретным маркам и расшифровке их маркировки. Также актуальными темами будут применение таких металлов и ГОСТ на них, состав и свойства сталей конкретного типа, их сварка.

Общее описание

Начать следует с определения того, что же, собственно, следует считать высокопрочными сталями. В России под таким термином подразумевают сплав железа с углеродом, который способен переносить более или менее длительное время нагрузку 1800—2000 МПа и выше. Помимо этого показателя, очень важен и другой момент — хорошая устойчивость к хрупкому разрушению. Дополнительно требуется контролировать пластичность и вязкость. Только при четком соблюдении всех этих моментов металлургии производители могут заявить, что они действительно делают высокопрочный металл.

Марки

Среди упрочненных сплавов популярностью пользуется низкоотпущенная сталь со средним легированием. В ней содержится от 0,25 до 0,4% углерода. Специалисты научились значительно повышать в таких сплавах вязкость и пластичность. Их состав включает:

Популярная марка 30ХГСА выпускается согласно различным ГОСТ — сообразно форме исполнения. Так, сортовой прокат должен соответствовать стандарту 4543 от 1971 года. Калиброванные прутки делают по ГОСТ 8559-75. А для полос применяют ГОСТ 103-2006, и это еще не полный перечень. Необходимая прочность поддерживается за счет старения мартенсита.

Такие мартенситно-стареющие стали имеют привлекательные технологические свойства. После закаливания они будут весьма пластичны и хорошо обрабатываемы режущим инструментом. Вырабатывают эти металлы в индукционных печах либо электрошлаковой плавкой. Мартенситно-стареющие стали имеют иногда высокую коррозионную устойчивость. Рассмотреть их состав уместно на примере маркировки 03Х9К14Н6М3Д.

В нее входят:

Также стоит обратить внимание на ПНП-стали, делящиеся на две подгруппы. Одна имеет полностью аустенитную структуру — и называется еще трип-сталями. В таком виде сплавов создается высокая концентрация никеля и прочих стабилизирующих аустенит компонентов. Это существенно удорожает продукцию. Свариваемость ПНП-металла ограничена, обработать его механически также будет весьма трудно.

Многофазные марки стали содержат аустенит, обогащаемый углеродом. В процессе деформации или при активном механическом воздействии он будет преобразовываться в мартенсит. Концентрация углерода составляет 0,2%. Доля марганца достигает 1,5%.

Подобные стали, наряду с высокой прочностью, имеют еще одно хорошее свойство — они легко деформируются, что позволяет получать конструкции со сложной геометрией.

Говоря про другие марки, надо упомянуть еще 20Х2Г2СНВМ. При концентрации углерода 0,18—0,25% она содержит также:

Среди трип-сталей выделяется 30Х9Н8М4Г2С. Это метастабильный аустенитный сплав. В его состав входят:

2% марганца и кремния.

Применение

Особо стойкие марки стали применяют не только для болтов и других крепежей. Тот же сплав 30ХГСА используют, чтобы делать:

прочие улучшаемые части, эксплуатируемые при температуре до 200 градусов;

сварные конструкции, применяемые для ответственных работ;

прочие изделия, рассчитанные на знакопеременные нагрузки.

Марка 35ХГСА после грамотного отпуска прочнее предыдущего сплава. Такой материал подойдет для получения:

сварных сложных деталей;

прочих изделий, рассчитываемых на особые нагрузки.

Примечательна сталь ЭИ643. Она подходит для дисков и валов. Из нее делают шестеренки редукторов и различные крепежи. Ее, наряду с 30ХГСА и ВЛ-1, используют даже в авиационной промышленности. Мартенситно-стареющая сталь представлена еще и сплавом Н18К9М5Т; здесь аналогами будут:

Мартенситно-стареющий металл может работать при охлаждении до — 196 градусов и при нагреве до 400 градусов. Допускается его эксплуатация в среде со слабой химической агрессивностью. Такие вещества имеют превосходную эрозионную стойкость. Хорошими примерами являются:

Такие металлы применяют, чтобы делать:

резервуары, рассчитанные на высокое давление;

зубчатые передачи различных моторов;

двигательные валы на вертолетах.

Сварка

Высокопрочные стали варят по особой технологии. Среднеуглеродистый легированный металл относительно вязок и пластичен. Рессорная сталь с легирующими компонентами варится при условии непременной предварительной термической обработки. В ходе самой работы требуется обеспечить подогрев. Но и после окончания сварки придется заниматься термообработкой.

Средние по содержанию углерода сплавы отличаются хорошей прокаливаемостью. Прогрев свариваемых изделий не понижает скорости падения температуры. Это приводит к ускоренному росту зерен. Вывод прост: варить подобный металл следует без заблаговременного подогрева.

Однако могут использоваться специализированные методики: блочная, каскадная сварка, работа на укороченных участках.

Иногда используются специальные приспособления, подогревающие шов. Это позволяет поддержать его дольше при заданной температуре. Чтобы перегреть сталь, исключая возникновение мартенситной структуры, могут применять отжигающие валики. Концентрация углерода в создаваемом шве должна составлять максимум 0,15%. Иначе обстоят дела при сварке на умеренно легируемых глубоко прокаленных сталях особой прочности.

Это требует подбора сварочных материалов, позволяющих формировать швы с повышенной деформационной способностью. Такое свойство должно достигаться при ограниченном насыщении ванны водородом. Недопустимо применение электродов с органическими покрытиями. В шве должно содержаться максимум:

1,5% хрома и марганца;

0,5% кремния и ванадия;

Среднеуглеродистый металл варят под аргоновой защитой. При этом используют неплавкий электрод. Присадочное вещество подбирают сообразно применяемому газу.

Улучшить работу помогает использование активирующего флюса. Он позволит отказаться от разделки кромок.

Какая сталь самая прочная в мире?

Наивысшую прочность имеет нитинол. Такая сталь известна также как SM-100. Изначально ее создавали для использования в ракетах в США. Этот металл весьма прочен и отличается жесткостью. Сегодня SM-100 применяют широко и для изготовления ножей.

Все, что нужно знать о стали

Стальной сплав – основной материал, без которого построить долговечные и многофункциональные, довольно лёгкие механизмы и машины, конструкции не удастся. Будучи в основном металлическим продуктом, стальные детали и комплектующие – основа современного производства.

Что это такое?

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Самые простые стальные сплавы не содержат никаких дополнительных присадок, за исключением кислорода, азота, серы и фосфора, присутствующих в железной руде изначально. Содержание углерода в стали варьируется от 0,02% до 2,13% включительно. Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% относят к техническому (не чистому для лабораторных испытаний) железу. Другие составы, содержащие в себе 2,14% и более углерода, считаются чугуном. Исключением из данного норматива являются порошковые сплавы с содержанием углерода вплоть до 3% – эти составы не относятся к чугуну, так как чугун – в основном литейный, отчасти – и ковкий материал: из болванок и брусков куют детали всевозможного назначения.

Чистое железо, почти не содержащее углерода, относится к мягким и пластичным материалам металлического происхождения. Оно применяется там, где, к примеру, нужна мягкая проволока, напоминающая по своим свойствам медную. Добавление углерода повышает твёрдость и прочность, упругость и ударную вязкость железа, одновременно снижая его податливость. Чугун, за исключением ковкого сорта, из-за избыточного содержания хрупок: если ударить, например, чугунный котелок молотком, то он треснет.

Основные требования к стали – стойкость к неподвижной, подвижной или повторяющейся нагрузке извне. Это могут обеспечить пружины, рессорные комплектующие.

Увеличить ровность и плавность хода также можно, используя подвески на автомобилях и спецтехнике, чья ходовая составляющая изготовлена преимущественно из стальных деталей.

Особенности производства

Стальные сплавы получают путём снижения до разрешённых по технологии концентрации углерода, фосфора и серы. Часть этих компонентов – по количественному показателю – можно выжечь, вдувая в расплавленный состав воздух. Все неметаллические примеси, окислившись, постепенно покидают объём железа, с которым они были соединены изначально и сразу после извлечения кусков железной руды из недр Земли. Фосфор и сера повышают хладноломкость стали: при ударных нагрузках избыточное количество серы в заготовках после выплавления и термообработки могло бы привести к поломке, к примеру, ступиц авто, как только оно съехало бы с ровной и гладкой трассы на второстепенную каменистую дорогу. Швеллерный отрезок, установленный в верхнем уровне оконного или дверного проёма в качестве перемычки, не просто прогнулся, а сломался бы под тяжестью кирпичной кладки участка стены, расположенного над ним, что грозило бы частичному обрушению стены или всего здания.

Чтобы удалить ненужные примеси в избытке и вместо них добавить полезные, к примеру, хром, снижающий скорость ржавления стальных деталей, потребуется выбрать перед началом технологического процесса способ варки (переплавки) стали. Когда производство ограничивается не выплавкой стали из руды, а переработкой железного лома, к собранному и загружаемому в печь стальному материалу добавляются известь, плавиковый шпат, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и легирующие присадки. После удаления излишнего количества неметаллических примесей путём мартеновской и подовой термообработки, включающей в себя закачивание концентрированного кислорода, в него вводят то количественное соотношение ингредиентов, которое нужно, чтобы получить сталь с запрошенными свойствами. Обогащение стали проводится в вакууме – он не допускает проникновение, к примеру, азота из воздуха, чьё содержание в некоторых сортах стали является лишь минимальным.

В зависимости от имеющихся примесей, содержащихся в железе в определённой пропорции, часть углерода из руды выжигают кислородно-конвертерным способом – продувают расплав концентрированным кислородом под давлением. В результате происходит несколько реакций, цель которых – окислить кремний, углерод – и вывести их из железного сплава. Таким образом, можно чугунный лом переработать в сталь – либо оставить его чугуном, выплавив, к примеру, из ковкого чугуна белый. Небольшое количество чистого железа, превращаясь в окалину, вступает в реакцию с кремнием и переходит в так называемый феррокремний – соль железа на основе кремниевой кислоты. Чтобы уменьшить степень раскисления стали в исходном сплаве, образовавшемся после выпадения шлака (ферросилиция), присутствует закись железа.

Чтобы удалить эти атомы кислорода, применяют более активные металлы – например, алюминий, который окисляясь, восстанавливает оставшуюся часть оксидированного железа.

Для удаления фосфора, например, из того же переплавляемого чугунного лома применяют введение некоторого количества оксида кальция. Шлак – фосфат кальция, выпадающий в осадок, либо снимаемый с поверхности. Но перед связыванием фосфорного ангидрида с помощью оксида кальция в высокофосфористый чугун или сталь вдувают всё тот же концентрат кислорода.

Чтобы иметь возможность переплавить проржавевший железный лом, используют мартеновскую печь. Мартенопечи позволяют довести температуру расплава практически до температуры вулканической лавы – при этом расплав становится почти ослепительно-раскалённым, нагретым до 1700 градусов Цельсия. Вступая в реакции с кальцием, магнием, кремнием и другими ингредиентами, оксид железа отдаёт им свой имеющийся кислород, и получившиеся соли, вступив в реакцию с серой и фосфором, формируют шлаковый слой – отходы от чермета. После удаления шлака в расплавленный состав добавляют ингредиенты-раскислители, чтобы сделать сталь менее кипящей, более «спокойной».

«Электросталь» образуется за счёт расплавления под воздействием электродуги. Недостаток – почти мегаватт-час электричества на тонну финального сплава, забранный из ЛЭП. Время технопроцесса – до 7 ч. Электродуговая «сталеплавилка» может работать полностью на чугунно-стальном и железном ломе.

Классификация сплавов подразумевает разделение сортов стали по группам согласно свойству конкретной марки. Применение получившейся стали – исходя из её характеристик: так, достаточно крепкая сталь является среднеуглеродистой, её используют, например, для производства рельсов и швеллеров. Она состоит из 98% железа, до 0,4% углерода, а остальные примеси – это, например, 0,6% никеля и 1% хрома. Масса детали равна сумме весов железа и легирующих присадок, углерода. Металлы, используемые в качестве легирующих, делают сталь износостойкой, резистентной к коррозии. Ударная вязкость стали варьируется в широких пределах и зависит от содержания серы и фосфора в сплавах. Коэффициент теплового расширения в целом не колеблется в широких пределах, за что отвечает основной ингредиент – железо. Однако свариваемость варьируется от лёгкой и универсальной у обычных сталей до существенно затруднённой у сплавов, которые необходимо не просто зачищать перед сваркой, а отжигать при сотнях градусов. Качественная сталь не должна ломаться в условиях любых морозов на Земле (почти до –90 градусов по Цельсию), а также рассыпаться от ржавчины за 10 лет и менее.

По качеству

Основной критерий качества стали как традиционного материала для высоконагруженных и высокоответственных несущих конструкций – неломкость при комнатной или уличной температуре. За хладноломкость отвечает тщательность удаления серы и фосфора – содержание в высококачественной стали падает до 0,001%, чего не скажешь о сталях обычного качества.

У последних содержание этих двух элементов по отдельности достигает 0,04%.

По составу

Классы низко-, средне и высокоуглеродистой стали – сплавы, содержащие до 0,2%, до 0,6% и до 2,13% углерода соответственно. Процентным соотношением руководит пересчёт не на объём, а на массу примеси. Но высокоуглеродистая пружинная сталь плохо гнётся: при резком угле (переходе) на сгибе от 30 градусов она ломается, образуя острые края при сломе. Попробуйте резко согнуть пассатижами пружину в любой точке высокоуглеродистой проволоки, из которой она навита: деталь переломится.

Низко-, средне- и высоколегированные стальные сплавы бывают весьма разнообразными. Например, нержавейка – техническая и пищевая – содержит значительное количество хрома, 14-26%, что позволяет емкостям и столовым приборам прослужить сотни лет, при этом они передаются из поколения в поколение. Ржавеющие сплавы содержат менее 14% хрома: их использование в качестве неокрашиваемых и неоцинкованных изделий приведёт к их быстрому заржавливанию.

По структуре

Структура стали не менее важна, чем состав: различают мартенситную, ферритную, аустенитную, перлитную (эвтектоидную), бейнитную и комбинированно-структурированную. К двухфазным сплавам относят до- и заэвтектоидные стальные составы; первые более легки в обработке благодаря своей пластичности.

Простые сплавы не содержат заметного количества легирующих присадок, изменяющих существенно свойства стали. Характерные примеры – Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст5Гсп, Ст6пс и десятки других сортов. Так, в сплаве Ст0 содержится до 0,01% углерода, она относится к техническому железу. Ст1кп – сталь с 0,01% углерода кипящего (нераскисленного) типа, Ст6пс – полуспокойная, 0,06% угля в составе, Ст5Гсп – 0,05% сталь (по углероду в пересчёте на массу), усиленная небольшим количеством марганца (маркер «Г» указывает на «марганец»), составляющего по массе не более 1%. Прочность на раздавливание, результатом которого является слом (трещина) – 60 кг/мм2. Свариваемость всех марок Ст – весьма удовлетворительная: детали в местах наложения сварных швов достаточно лишь зачистить.

Сталь Ст всех модификаций относится к конструкционным: прочность и упругость достигаются большими толщиной, массой и поперечными габаритами элементов.

Нержавеющие марки отмечены немного иначе: в шифре указаны целые проценты – по массе – металлов-присадок, в сотых долях процента – массовое количество угля. Например, семейство нержавеек Х18, относящихся к бытовой стали, используемой для изготовления смесителей для душевой, маркируется следующим образом: 12Х18Н10Т – низкоуглеродистая сталь, содержащая 1,2 промилле углерода, 18% хрома, 10% никеля, до 1% титана. Слабоникелевая и беститановая сталь с 2 промилле углерода могла бы отметиться, например, иначе: 20Х17Н. Сортов нержавеек – более сотни. Однако сталь 12Х12 не является нержавейкой: для последней, как выше отмечено, необходимо хотя бы 14% хрома. Хром создаёт быстро образуемую и особо плотную плёнку, которую счистить можно лишь сильноабразивными и высокоактивными средствами. Пищевые продукты и их ингредиенты не действуют на неё.

Кроме нержавейки, используются и иные специфические семейства сталей: У10-У12 – для ручных инструментов (например, пассатижей), 09Г2С – для балочных и арматурных элементов, выдерживающих любую жару и мороз на Земле, без ухудшения их прочностных и упругостных свойств. Выпускаются сотни таких сталей со специфическими запросами потребителя, соответствующими его целям и задачам.

Способы обработки

Анодирование (электролизное покрытие) ржавеющей стали достигается за счёт меднения, никелирования, хромирования, алюминирования (покрытие алюминием), титанирования уже изготовленных (кованых, отлитых) деталей. Смысл – снижение энерготехнологических издержек производства, упрощение выделки деталей и комплектующих без лишних сеансов нагрева, прокаливания, потребляющих мегаватт и более электроэнергии на тонну производимой продукции. Например, нержавеющая труба с толщиной стенок в 2 мм и ДУ (условным диаметром, проходом) в 25 мм оценивается более чем в 2 раза дороже, чем такая же хромированная или никелированная из стали Ст3сп.

Меднение труб и профильных комплектующих производится при помощи медного купороса: в его, скажем, 5% водный раствор, налитый в U-образную трубку, опускают катод и анод. В качестве катода – обрабатываемое изделие, анодом может быть любой обломок или фрагмент от отслужившего свой срок изделия. На катоде выделяется металлическая медь, а на аноде – кислотный остаток, который разлагается затем на сернистый газ и кислород; выделение последних происходит в виде пузырьков газа.

Аналогичный подход применяют при покрытии любым другим металлом: низкоактивные используют соли в растворе, высокоактивные – расплав этих же солей.

Оксидирование, или воронение, производится путём прокаливания стальной заготовки. Цель – окислить сталь так, чтобы на изделии возникли тёмные побежалости (затемнение цвета). Используют этот метод перед финишной окраской: лакокрасочный состав, например, грунт-эмаль по ржавчине, будет держаться лучше и дольше, чем на некалёном изделии.

Разрезание стальных заготовок – как и любых металлических – производят фрезой или лазером. Лазерный способ не даёт стружки и стальных опилок, его достоинство – безотходность производства, к примеру, листовой нержавейки. Фреза по всем расходным статьям обходится заметно дешевле лазерной пушки, недостаток – необходимость удаления мусора, из-за чего к рабочей камере перед резкой подключают строительно-технический пылесос.

Что делают из стали?

Гвозди, болты, пресс-шайбы и гайки изготавливают из уже знакомого вам техжелеза. Гровер-шайбы, пружины, рессорные элементы – из высокоуглеродистой стали. Балки и арматура изготавливаются из конструкционной и низколегированной стали. Машиностроительная сталь, например, подшипниковая, содержит до 1,5% хрома и порядка 1% углерода: такое сочетание способствует замедленному износу подшипников, но она несколько мягче калёной стали, из которой выпускают втулки, барабаны, а также некоторые метизы, к примеру, шурупы. Инструментальная У11А (и ей подобные) идёт на изготовление бит, отвёрток и насадок для них, а также бокорезов, плоско- и круглогубцев и так далее.

Высокохромистые пищевые нержавейки – материал для производства ложек, вилок, ножей, шумовок и другой кухонной утвари.

Читайте также: