Какие виды стали бывают?
Железо в чистом виде мягкий материал, который сильно окисляется в естественной среде и легко поддается деформации. А чугун имеет высокое содержание углерода, что дает материалу повышенную хрупкость. Задача металлургии – это найти вариант сплава, который наилучшим образом реализует все положительные свойства железа. И такими вариантом является сталь.
Что такое сталь?
Сталь – это сплав обычного железа с меньшим, чем у чугуна, количеством углерода – не более 1,6%. Также в стали присутствуют другие химические элементы: марганец, азот, олово, сера, кремний, фосфор и проч. Для придания материалу необходимых свойств в расплав вводятся легирующие добавки, которые влияют на физические и химические свойства конечного продукта.
Первоначально процесс выплавки заключается в очистке от лишнего углерода и нежелательных примесей, ухудшающих свойства металла. Плавку шихты проводят в различных металлургических агрегатах. Это может быть доменная или мартеновская печь, конвекторы, электродуговые или электроиндукционные системы.
Черная металлургия производит и поставляет различным отраслям промышленности большой ассортимент сталей разных марок и названий. Они отличаются друг от друга эксплуатационными параметрами. Рассмотрим разные подходы к классификации сталей
Систематизация разных сплавов железа
Стали классифицируют по:
- Составу. Углерод и разнообразные легирующие добавки меняют кристаллическую решетку сплава.
- Назначению. Выпускают конструкционные, инструментальные и специальные марки.
- Методу раскисления. Это кипящие, полуспокойные и спокойные сплавы.
- Структуре. Стали делят на отожженные и нормализованные. Здесь отражается внутреннее строение металла. В отожженном состоянии структурная форма сплава может быть доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной, ледебуритной, аустенитной или ферритной.
- Свойствам. Разные легирующие добавки придают сплавам уникальные характеристики – твердость, жаропрочность, кислотостойкость, нейтральность и морозоустойчивость.
Виды стали по химическому составу
Сплав делится на два основных типа: углеродистый и легированный. Компоненты и режимы термической обработки существенно меняют свойства конечного изделия.
Углеродистая
Стали, где главной присадкой является углерод, а все остальные элементы присутствуют в незначительном количестве, объединяют в группу углеродистых.
По содержанию углерода выделяют три следующих вида:
- Низкоуглеродистая группа. Содержание углерода – до 0,25%. Материал является фактически чистым железом. Он мягкий, пластичный. Варится без образования внутренних напряжений. Практически не поддается закалке. Увеличить прочность изделия из низкоуглеродистой стали можно только цементацией, то есть внесением в поверхностный слой дополнительного углерода. Такой эффект достигается, например, закалкой в масле. Основная сфера применения стали – это создание сложных сварных, гнутых, штампованных изделий.
- Среднеуглеродистая группа. Материал содержит углерод от 0,26% до 0,6%. Такой состав позволяет широко менять свойства за счет режимов термической обработки. Сталь поддается отпуску и последующей закалке для придания высоких прочностных характеристик. При сварочных работах с материалом учитывают локальные изменения свойств металла из-за нагрева. Из материала создают ответственные детали, подвергающиеся серьезным нагрузкам: инструменты, элементы скольжения.
- Высокоуглеродистая группа. Содержание углерода – от 0,6% до 1,5%. Материал при закалке становится упругим и очень прочным. Это позволяет создавать витые и пластинчатые пружины, режущие инструменты. Сталь плохо поддается сварке, так как в шве и рядом с ним образуются множественные внутренние напряжения, приводящие к возникновению трещин. Тонкий металл мгновенно прогорает при первом касании электрода. Плохо поддается отпуску.
Легированная
Сталь создается на базе железа путем введения специальных присадок. Добавляют хром, марганец, никель, молибден, ванадий, бериллий, ниобий и проч.
По количеству добавок стали разделяют на три группы. Низколегированная содержит до 2% присадок, среднелегированная – до 10%, высоколегированная – 11 и более процентов.
Каждый компонент меняет свойства сплава. Например, внесение в состав хрома более 14% делает сталь нержавеющей. Никель придает сплаву вязкость и немагнитность. Марганец, хром, титан и вольфрам увеличивают прочность. Другие присадки могут повлиять на жаропрочность, устойчивость к кислотам и щелочам, морозостойкость и т.д.
Виды стали по назначению
Каждый сплав предназначен для применения в ограниченной сфере. Твердость, вязкость, устойчивость к химическому воздействию и прочие характеристики достигаются добавлением к железу тех или иных присадок в определенных пропорциях. После термической обработки изделие приобретает необходимые свойства.
Конструкционная
Данный вид стали имеет минимальное количество легирующих элементов. Углерод содержится в пределах 0,25%. Материал легко варится, имеет высокую пластичность, легко поддается любой механической обработке (точение, фрезеровка, штамповка). К конструкционным сталям причисляют и нержавейку со специальным составом. Нержавеющие швеллеры, уголки и листы используют для создания конструкций, предназначенных для применения в агрессивных условиях.
Важным является то, что во время эксплуатации на изделиях из конструкционных сплавов не появляются трещины и другие дефекты. Из них создают ангары, опалубку, цистерны, элеваторы, железнодорожные и автомобильные мосты, водопроводы и прочие конструкции.
Инструментальная
Из легированных сталей выделяют особый класс, предназначенный для создания рабочих инструментов. Такой металл обладает повышенной износостойкостью. В процессе работы, например, штампа, узел испытывает многократное ударное деформирующее воздействие. По шкале Роквелла показатель твердости должен быть в пределах 60-65 единиц. Ножи из инструментальной стали обязаны выдерживать много рабочих циклов между заточками. Инструмент претерпевает воздействие агрессивных сред и значительные температурные перепады. Чтобы противостоять такому влиянию в сплав добавляют хром, ванадий, молибден, кобальт и вольфрам.
Особую группу составляют медицинские сплавы. Они прочные, износостойкие и нейтральные. Материалом для производства медицинских инструментов служит нержавеющая сталь марки AISI 420, AISI 154 CM.
Разное сочетание компонентов позволяет создавать высокоточные измерительные инструменты, режущие элементы, штампы, просечки, формовочные оправки и т.д.
Для режущих инструментов важна повышенная красностойкость. Она показывает, как долго деталь может подвергаться критическим перегревам без потери свойств.
Специальные
В производстве необходимы материалы, из которых можно создать устройство, работающее в особых условиях. Например, реактор с кислотной средой или печь с температурой выше 1000 градусов. Для этого используют особые сплавы, выдерживающие воздействие таких экстремальных условий.
При повышенных температурах обычный атмосферный кислород становится агрессивным. Противостоять таким средам способна нержавейка повышенной жаростойкости. В эти стали кроме хрома, обеспечивающего сопротивление окислению, добавляют кремний и никель. Жаропрочные нержавеющие листы и трубы востребованы на металлургических комбинатах, в авиа- и автомобилестроении, на пищевых производствах, в строительстве дымоходов, котельных и т.д.
Также к специальным сталям относят сплавы, имеющие высокую кислотостойкость, устойчивость к многократным деформациям, морозостойкость (при температурах ниже -60 изделие не становится хрупким), красностойкость.
Электротехнические стали используют в трансформаторах. Это материал, применяемый в передаче магнитных усилий. Стали имеют минимальное сопротивление к перемагничиванию. Чем выше частота переменного тока, тем больше энергии тратится на нагрев сердечника трансформатора. Детали, сделанные из электротехнических сталей, позволяют минимизировать тепловые потери при трансформации параметров электричества.
По структуре
Стали различаются на два основных типа:
- Отожженные. Металл нагревают выше температуры кристаллизации и подвергают очень медленному остыванию. В результате структура приобретает несколько форматов. Различают 6 типов: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные, аустенистые, ферритные.
- Нормализованные. Подвергают остыванию в естественной среде. Материал имеет такие подвиды: ферритные, перлитные, мартенситные и аустенитные стали. Такой метод производства гораздо экономичнее, позволяет достичь нужных параметров.
Виды стали по свойствам
Легирующие компоненты придают сплавам уникальные свойства, по которым можно выделить несколько групп. Получение стали со специфичными характеристиками необходимо для создания механизмов, работающих в особых условиях.
Стали с высокой твердостью
Такие сплавы, как 18ХГТ, 30ХГСА, 50ХФА, 60С2А, ХГС, применяют для создания шестеренчатых передач с большой нагрузкой, валов, рессор, пружин, обойм подшипников, сварных конструкций с высокой ответственностью, матриц, пуансонов.
Нержавеющие стали марок 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, обладают не только высокой прочностью, но и хорошими антикоррозийными свойствами. Из них делают узлы, которые эксплуатируются в особых условиях.
Повышенная твердость достигается высоким содержанием углерода и разнообразными легирующими добавками вольфрама, кремния, титана, марганца, хрома, ванадия.
Жаропрочные сплавы
Жаростойкость или окалиностойкость – это способность стали выдерживать длительное влияние предельных температур. В таких условиях происходит изменение внутренней структуры, ускоряется коррозийное развитие. Для предотвращения этого в сплав добавляют хром, алюминий и кремний.
Наиболее распространенные жаропрочные марки стали – это 08Х17Т, 15Х25Т1, 15Х6СЮ, 36Х18Н25С2. Повышенное содержание хрома делает сплавы нержавеющими.
Еще одно важное качество жаропрочной стали – она сохраняет прочность при нагреве более 1000 градусов.
Кислотостойкие
Во многих производственных процессах металл находится в постоянном контакте с азотной, серной, соляной, фосфорной и другими кислотами. При контакте обычной стали с агрессивными веществами разрушается ее структура. Введение в сплав хрома, марганца и никеля делают металл устойчивым даже при критически высоких температурах.
Кислотостойкие листы и трубы из нержавеющей стали используют для создания химических реакторов, систем транспортировки агрессивных жидкостей.
Пищевые
В медицине и пищевой промышленности основным критерием является нейтральность. Важно, чтобы металл не менял свойства продуктов при контакте. Для этого выпускают нержавеющие пищевые листы и трубы. Из них делают оборудование, посуду, столовые приборы, емкости.
Химическая нейтральность достигается высокой очисткой железа и легированием сплавов никелем, хромом и марганцем, титаном и т.д.
Морозостойкие
При температуре ниже 30 градусов стандартные стали становятся очень хрупкими. Для эксплуатации в условиях крайнего севера применяют марки: 09Г2, 09Г2С, 09Г2СД, 16Г2АФ, 14Г2АФ, 14Г2САФ.
Для получения сплавов с высокой хладостойкостью железо с содержанием углерода ниже 0,2% легируется ванадием, алюминием, ниобием, титаном. В стали может присутствовать азот, никель, молибден и хром.
Легирование и последующая термическая обработка позволяют получить сплавы с уникальными, часто противоположными свойствами. Количество сплавов разных марок на рынке велико, и их ассортимент постоянно расширяется.