Из чего состоит сталь: виды и маркировка

Из чего состоит сталь? Как известно из школьного курса, это сплав железа с углеродом, и от количества последнего зависит прочность металла. Однако эти два компонента – не единственные составляющие стали.

На что обратить внимание? Чтобы придать сплаву те или иные свойства, в него добавляют легирующие элементы: хром, ванадий, молибден, марганец. Также есть вредные примеси, снижающие качество стали.

Из чего состоит сталь

Сталь — это сплав, применяемый в промышленности, в состав которого входят углерод и железо. Если правильно подобрано сочетание компонентов, металл не подвергается коррозии и из него можно изготовить практически любое изделие.

По его объему выделяют следующие виды стали:

• низкоуглеродистая — доля углерода ниже 0,25 %;
• среднеуглеродистая — 0,25–0,55 %;
• высокоуглеродистая — 0,6–2,14 %;
• порошковая — доля углерода 2,9–3 %.

Сталь нужна для создания машин, оборудования, медицинских приборов, посуды и т. д.

Первый этап получения этого металла — добыча железной руды и каменного угля. На втором шаге сырье перерабатывают. Руду измельчают и выбирают фрагменты, которые содержат много металла (используя магнит), уголь коксуют. После этого компоненты смешивают, вводят известь и переплавляют в доменных печах. Образовавшийся состав включает много углерода и разных примесей, он еще не является сталью.

Фото: EyeEm / Freepik

Стадии получения данного металла:

• Плавление при температуре 1300°С.

На данной стадии состав из сырых компонентов и топлива плавится в доменной печи в специальных емкостях. Высокая температура приводит к окислению железа. Оно вступает в реакцию с другими веществами. Они также окисляются. При нагреве примеси, включая фосфор, поднимаются на поверхность, образуя шлак.

• Кипение при 1600–1650 °С.

Температуру в печи еще больше поднимают и подают кислород. Под его влиянием происходит окисление углерода с образованием газообразного оксида углерода, который улетучивается из емкости. В результате в составе концентрация этого элемента падает, из чугуна он становится сталью.

Сера, находящаяся в смеси, поднимется вверх, образуя шлак, который убирается механическим путем. Это позволяет улучшить качество материала.

• Раскисление при температуре не выше 1700 °С.

На первых стадиях все примеси практически полностью удаляются из стали. Но остается кислород. Он снижает качество состава. Раскисление — процесс, противоположный окислению, помогающий избавиться от кислорода. Удаляется он с помощью добавления в смесь элементов, которые быстрее железа вступают с ним в реакцию. Также металлы вводятся в шлак. Происходит окисление примесей, и они всплывают, а раскисленное железо уходит вниз.

После этого шлак устраняют механическим путем и применяют для других целей, например, для изготовления кирпичей. Полученную сталь прокатывают и делают из нее детали либо скручивают в рулоны. Теперь вы знаете, из чего состоит сталь, и как она получается.

Полезные примеси в составе стали

Кроме основных элементов, углеродистые сплавы содержат также серу, водород, кремний, марганец, фосфор и т. д.

Фото: EyeEm / Freepik

Они относятся к примесям и классифицируются так:

• Постоянные — сера, кремний, марганец, фосфор. В небольших количествах они всегда присутствуют в стали, так как попадают в нее из чугуна или выступают как раскислители.
• Скрытые — это кислород, водород, азот. Они попадают в состав при выплавке и всегда присутствуют в любой стали.
• Случайные — медь, свинец, олово, мышьяк, цинк и другие элементы. В сталь они попадают из шихтовых материалов и расцениваются как особенность руды.

Все примеси содержатся в сплаве в определенной концентрации. Содержание марганца в стали обычно не превышает 0,8 %, фосфора — до 0,025 %, кремния — не более 0,4 %, серы — менее 0,05 %.

Механические свойства стали зависят от того, какой химический состав сформируется в процессе выплавки. Влияние примесей на параметры стали:

• С — углерод: делает металл более твердым, упругим и прочным, но менее пластичным.
• Si — кремний и Mn — марганец: при количестве менее 0,4 % и 0,8 % соответственно серьезного влияния на характеристики стали не оказывают.
• Р — фосфор: придает сплаву прочность и устойчивость к коррозии, но снижает его вязкость и пластичность.
• S — сера: увеличивает хрупкость металла при нагревании до высокой температуры, делает его менее прочным и пластичным, снижает устойчивость к коррозии и свариваемость.
• N₂ — азот и О₂ — кислород: уменьшают пластичность и вязкость стали.
• Н₂ — водород: увеличивает хрупкость металла.

Влияние легирующих добавок на характеристики стали:

• Cr — хром: делает сплав тверже и прочнее, улучшает коррозионную устойчивость, электросопротивление и ударную вязкость, снижает пластичность и коэффициент линейного расширения.
• Ni — никель. Повышает вязкость, пластичность, ударную прочность и устойчивость к коррозии.
• W — вольфрам: делает сталь тверже, увеличивает прокаливаемость.
• Mo — молибден: улучшает прокаливаемость металла, повышает сопротивляемость, упругость и устойчивость к коррозии.
• V — ванадий: придает стали прочность, плотность и твердость.
• Si — кремний. Делает сталь более прочной, жаростойкой и упругой, повышает электросопротивление и твердость.
• Mn — марганец: увеличивает твердость, ударную прочность, устойчивость у износу и прокаливаемость металла.
• Co — кобальт. Повышает жаро- и ударопрочность стали, улучшает магнитные свойства.

• Al — алюминий. Увеличивает устойчивость сплавов к образованию окалины, повышает жаростойкость.
• Ti — титан. Улучшает обрабатываемость сталей, делает их более прочными и устойчивыми к коррозии.
• Nb — ниобий. Повышает устойчивость к влиянию кислот и к коррозии.
• Cu — медь. Делает стали более пластичными и устойчивыми к коррозии.
• Ce — церий. Увеличивает прочность и пластичность сплавов.
• Nd — неодим, La — лантан и Cs — цезий: улучшают качество поверхности сталей, уменьшают пористость.

Вредные примеси в составе стали

Высокое их содержание приводит к ухудшению характеристик стали, например, делает более хрупкой, что не позволяет ее использовать при монтаже нагруженных конструкций.

К основным вредным включениям для стали относятся:

• Сурьма. Приводит к образованию зерен на поверхности стали во время остывания при производстве, что повышает ломкость и хрупкость металла. Это касается легированных марок. Сильнее всего отрицательные качества сурьмы проявляются, когда заготовки отливают непрерывным способом.
• Азот. Если его в стали много, образуются инородные включения, которые ухудшают качество изделий. Вставки неметаллической природы снижают прочность. Но если доля азота подобрана правильно, диаграмма состояния «железо – углерод» становится нормальной, и качество сплава улучшается.
• Сера. Если ее концентрация в сплаве высока, происходит образование сульфита меди, который приводит к потере пластичности и ударной вязкости металла, ухудшению свариваемости. Сера способствует хладоломкости стали. Чтобы уменьшить ее количество, металл особо обрабатывают, снижая объем примеси до 0,005 %.

• Фосфор. В большом количестве он приводит к снижению ударной вязкости и появлению хладоломкости. В отношении того, из чего состоит нержавеющая сталь, важно отметить, что высокая концентрация фосфора в ней стимулирует повышение коррозийности.
• Углерод. При высокой концентрации он приводит к уменьшению твердости и предела прочности, повышает хладоломкость. Также он увеличивает электрическое сопротивление стали.
• Олово. Если его в составе сплава много, пластичность становится заметно ниже. Хрупкость заготовок, особенно, если детали отливаются непрерывным способом, возрастает.
• Кислород. Его содержание может увеличиваться при выплавке, сваривании деталей. Из-за этого ухудшается такая важная характеристика, как пластичность. Чтобы уменьшить влияние кислорода, сваривание заготовок часто проводят в защитной газовой среде.

Также в сталях могут присутствовать и другие примеси, которые приводят к ухудшению качества изделий.

Фото: moystock140886 / Freepik

Современные технологии позволяют свести влияние таких элементов на характеристики металла к минимуму.

Маркировка стали в зависимости от состава

Она показывает, какими особенностями может обладать металл. Это имеет значение для производства в разных отраслях промышленности. Расшифровка нужна для тех, кто работает в металлургической отрасли: она дает возможность узнать молекулярную формулу материала и его физические свойства. Надо знать, как составляется маркировка, хоть на первый взгляд это сложно.

Она представляет собой краткое описание, состоящее из последовательности цифр и букв.

Любая марка стали должна отвечать требованиям ГОСТа. Перед запуском в регулярное производство все они испытываются в условиях лаборатории. Умение разбираться в индексах имеет важное значение для безопасной работы с металлами и выпуска изделий из них.

На производстве используются буквенные и цифровые обозначения. Так, «1» – это горячекатаная или кованая сталь, а «2» говорит о том, что мы имеем дело с калиброванной маркой. Следующая цифра в данной ситуации показывает коэффициент старения. Затем даны группы металла. Последние цифры говорят об основных нормируемых параметрах.

Зная, как расшифровываются обозначения конкретного вида стали, специалисты понимают, какие примеси и в каком количестве в ней могут быть. Разобрать код из букв и цифр не сложно, но для этого нужно знать детальную систематизацию. Обычные стали без различных дополнительных веществ обозначаются символом «Ст». Это говорит о стандартном качестве.

Конкретная марка устанавливается исходя из следующих критериев: формула, содержание, назначение. Наиболее часто встречается маркировка обыкновенной стали конструкционной, без добавок. После первых букв стоит цифра, которая говорит о том, что в сплаве есть углерод.

Информация, которую можно получить из основной расшифровки:

• «Ст»: сталь обычная, нелегированная. За этими буквами ставятся цифры, показывающие, сколько углерода содержит сплав.
• «А» означает определенные механические качества, без термообработки.
• «Б»: нержавеющая сталь, подвергшаяся термообработке.
• «Пп» показывает, что вещество выделяется с пониженной прокаливаемостью.
• «В»: металл предназначен для применения в сварных конструкциях.
• «К»: означает качественную углеродистую сталь, используемую для производства емкостей высокого давления.
• «Л»: легированная. Применяется для создания конструкций. Данный сплав получается путем литья.

Фото: Freepik / Freepik

• «С»: строительная сталь. После этой буквы ставят показатель текучести.
• «Е» означает сплав с высокими магнитными свойствами, знак ставится в начале записи маркировки.
• «У»: инструментальная сталь с высокой концентрацией цементита.
• «А»: буква, стоящая в конце записи, говорит о стали высшего качества.
• «Э»: электротехнического предназначения. Это тонколистовой сплав, применяемый для производства магнитов, катушек, генераторов, трансформаторов, разных деталей.
• «Р»: инструментальная быстрорежущая сталь, знак всегда ставится в начале записи.
• «Ш»: сталь для производства шарикоподшипников. Она более прочная и устойчивая к износу, чем другие виды.

В таблице указано, какое влияние оказывают на свойства стали доминирующие легирующие компоненты.

Часто задаваемые вопросы о составе стали

Что добавляют в сплав для хладостойкости?

Чтобы повысить ее у сплавов железа, содержащих менее 0,2 % углерода, в них вводят алюминий, титан, ванадий, ниобий. В стали могут также находиться никель, хром, азот и молибден.

Как улучшают качество металла?

Для повышения коррозионной стойкости применяют нержавейку, но она имеет высокую стоимость. Аналогичны по качеству, но менее дороги биметаллические пакеты, состоящие из двух металлов. Часто их получают методом плакирования. Это когда на стадии проката два листа проката соединяются вместе и после горячей деформации становятся одним целым. Для такого пакета характерны преимущества обоих металлов.

В каком ГОСТе можно найти информацию о добавках в сталь?

Ее содержит ГОСТ 4543-71.

Характеристики стали зависят от ее состава. Добавки повышают прочность и твердость металла, делают его устойчивым к деформации. Но некоторые примеси могут отрицательно сказаться на качестве сплава, поэтому их количество стараются уменьшать.

Изображение в шапке статьи: nuraghies / Freepik