Принципы классификации и маркировки сталей

Стали классифицируют по химическому coставу, способу выплавки или степени раскисления, по диаграмме состояния, по типу структурных составляющих, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

По химическому составу прежде всего все железоуглеродистые сплавы можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. По концентрации углерода в сталях они подразделяются на низко- (менее 0,3 %), средне- (0,3 - 0,7 %) и высокоуглеродистые (более 0,7 %). Углеродистые сплавы не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество должно определяться пределами, регламентируемыми для примесей соответствующими нормативами и ГОСТами.

Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.

Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е. по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов в общем составляет 2,5 - 5,0 %; до 10 % и более 10 % соответственно.

Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки.

Углеродистые сплавы производят главным образом мартеновским и кислородно-конверторным способами. Наиболее качественную сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

В зависимости от степени раскисления и характеру затвердевания при производстве, сплавы могут быть спокойными (сп.), полуспокойными (пс.) и кипящими (кп.), что и указывают в марке. Раскисление – это процесс удаления кислорода из жидкого металла. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием или алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали получаются при раскислении только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при раскислении окислов железа взаимодействуя с углеродом, образует угарный газ – СО. Выделение пузырей этого газа создает впечатление кипения стали. Данный факт – это признак недостатка таких раскислителей, как марганца, кремния или алюминия. Данные стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми, с малым содержанием кремния (менее 0,007 %). Полуспокойные сплавы занимают промежуточное состояние между двумя первыми. Легированные стали бывают только спокойными, а углеродистые всех трех типов. Все эти виды сплавов при равном содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их отличие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Количество его в спокойной стали составляет 0,15 - 0,35 %, в полуспокойной - 0,05 -0,15 % и в кипящей менее 0,05 %.

В результате снижения концентрации кремния в феррите кипящих сплавов они становятся мягкими. Из-за большого содержания газов, особенно азота, они склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода повышает их порог хладноломкости. Кипящие стали становятся хрупкими уже при -10 °С, тогда как спокойные могут работать до –40 °С.

По структуре в отожженном (равновесном) состоянии железоуглеродистые сплавы бывают: доэвтектоидные, имеющие в своем строении избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; заэвтектоидные, содержащие вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита; ледебуритные, в которых структурно-составляющими являются первичные (эвтектические) карбиды; ферритные – это стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количество ферритообразующих легирующих элементов, а именно свыше 13 % хрома или более 2,5 % кремния; перлитные (низко- и среднелегированные); аустенитные с большой концентрацией марганца и никеля и мартенситные (среднелегированные).

По структуре после охлаждения на воздухе (нормализация) легированные стали подразделяют на: перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные. Углеродистые сплавы бывают только трех первых классов, легированные всех пяти. Легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и снижают температуру мартенситного превращения. К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные сплавы, составляющие большую группу дешевых, широко применяемых материалов. Они имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита. Стали мартенситного типа отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита; при охлаждении они закаливаются на мартенсит. К данному классу относятся средне- и высоколегированные сплавы. Аустенитные стали – это в основном высоколегированные никелевые или марганцовистые (+ хромистые).

По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.

Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность химсостава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.

Как уже указывалось, они относятся к скрытым, количественно трудно определяемым примесям. Поэтому основными показателями качества сплава установлены предельные концентрации серы и фосфора. Сталь обыкновенного качества содержит повышенное количество серы и фосфора.

Обозначение марок - буквенно-цифровое.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.

Группа А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.

Стали типа Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.

Сплавы группы В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.

Степень раскисленности, обозначают буквами кп - кипящие, пс - полуспокойные и сп - спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 - Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.

При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСт3пс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.

В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.

Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности - буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.

Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента - 0,7 - 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву А. например У7А, У13А, У10А.

В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром - X, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан – Т, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий - К, бор – Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах, округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0 %.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.

У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17AT14, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.

Нестандартные сплавы обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе «Электросталь» (буква Э), исследовательская (буква И) или пробная (буква П), например ЭИ395, ЭП398 и т. п.

Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.

По назначению стали подразделяют на три основные группы конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.