Как определить марку стали?
Сталь – это сплав, в основе которого железо (минимум 45 %) и углерод (максимум 2,14 %), а также постоянные и случайные примеси в виде серы, фосфора, марганца, кремния и др., от вида и количества которых зависит качество материала. Черной металлургией сегодня производится огромное количество разновидностей стали, каждый из которых имеет свои свойства. Они могут отличаться по технологии изготовления, химическому составу, показателям качества, структуре и другим параметрам. Нужно знать основные критерии и методы, чтобы определить состав стали по марке и подобрать оптимальный вид материала для решения необходимых задач.
Классификация марок сталей
Применяются разные критерии, позволяющие классифицировать все стальные сплавы:
Особенности производственного процесса. Характеристики сплава во многом определяются технологией его получения. Классический способ заключается в том, что чугун и лом переплавляется в мартеновских печах. Процесс длительный, происходи выброс вредных веществ в окружающую среду. Сегодня для этих целей все чаще используются кислородные конвертеры и электрические печи. Для изготовления легированных сплавов стали высокого качества используется технологи электрошлаковой переплавки.
Химический состав. В зависимости от того, какие химические вещества входят в состав стали, бывают углеродистые (для стандартных условий использования) и легированные (доя агрессивной среды, высоких температур). Различают углеродистые стали по количеству углерода: низко- (до 0,3 %), средне- (0,3-0,7 %) и высокоуглеродистые (более 0,7 %). Легированные классифицируются в зависимости от того, какая доля легирующих добавок в их составе: низко- (до 5%), легированные (5-10 %), высоколегированные (более 10 %).
Область применения. Стали могут быть конструкционными, инструментальным, а также специального назначения.
Качество. Данный критерий включает в себя особенности технологического процесса, состав сплава, а также дополнительные технологические приемы. Стали могут быть обыкновенного качества, качественными, высококачественными, и особо высококачественными.
Степень раскисления (удаление кислорода из сплава стали, что приводит к его разрушению при воздействии высоких температур). В зависимости от данного критерия сталь может быть кипящей, полуспокойной, спокойной.
Структура. Критерий зависит от состава сплава, способа его изготовления и применения дополнительных операций в ходе производственного процесса. Структура определяется в таких состояниях: отожженное и нормальное. При отожженном состоянии структура может быть доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной, ледебуритной, аустенитной, ферритной. Если сталь углеродистая, ее структура будет 1-3 видов, легированные стали могут иметь структуру любого из шести типов. При нормальном состоянии структура может быть ферритной, перлитной, аустенитной, мартенситной. Последняя присуща для сталей средне- и высоколегированный, отличается мелкой зернистостью и высокой прочностью.
Характеристики стали при определении марки
Основные критерии, определяющие качество стали: химический состав, назначение и свойства материала.
По химическому составу
От того, какие химические вещества входят в состав сплава, будут зависеть его эксплуатационные характеристики. Условно все виды литых сталей по химическому составу можно разделить на:
Углеродистую. В зависимости содержания углерода классифицируются на такие виды: низко-, средне- и высокоуглеродистые. Низкоуглеродистая характеризуется относительной мягкостью, плохо поддается термической обработке. По твердости среднеуглеродистые стали более высокие, лучше поддается термообработке. Для высокоуглеродистой стали характерны высокие показатели твердости и износостойкости.
Легированную. В зависимости от того, какая доля легирующих добавок в составе сплава бывают таких видов: низко- и высоколегированные. Низколегированные стали имеют такие же показатели, как обычная углеродистая сталь, но прокаливаемость более высокая. Высоколегированные сплавы создаются с определенными свойствами: стойкость к коррозии, жаростойкость, износостойкость. Как правило, высоколегированные стали представлены нержавеющей сталью (более 10,5 % хрома) и марганцевой сталью (до 15 % марганца). Марганец делает материал более прочным и износостойким при интенсивной эксплуатации, хром обеспечивает защиту от коррозии.
По назначению
В зависимости от сферы применения марки стали бывают:
Конструкционными. Данная категория включает в себя больше всего марок стальных сплавов. Материалы этого вида используются в строительной сфере, чтобы создавать сварные конструкции из метала, в машиностроении, для инженерных коммуникаций. Конструкционные стали – это сплавы обыкновенного качества, качественные углеродистые, а также низко- и среднелегированные. Возможно применение разных видов термической и химико-термической обработки.
Инструментальные. Сплавы этой категории применяются, чтобы изготавливаться различные инструменты: измерительные, режущие, штамповочные. Сталь должна отвечать высоким показателям по прокаливаемости, прочности и износостойкости при воздействии высоких температур.
Также существуют стали специального назначения. К ним относятся легированные сплавы, которые имеют особые свойства: высокое электросопротивление, стойкость к воздействию кислот, жаропрочность, жаростойкость и др.
По химическим свойствам
Состав химических элементов в составе сплава определяет его химические свойства, основные среди которых:
степень окисления;
стойкость к воздействию коррозии;
жаростойкость;
жаропрочность.
В ходе химико-термической обработки меняется химический состав поверхностного слоя материала, для чего вводятся разные вещества до определенной глубины. Это позволяет улучшить стойкость к коррозии, повысить твердость при высокой вязкости сердцевины, уменьшить силы трения, повысить износостойкость.
Показатели качества стали
Физические (предел текучести, прочность, износостойкость и др.), химические, технологические характеристики стали в совокупности определяют качество сплава. Основным критерием качества является зависимость содержания вредных примесей и неметаллических составляющих в расплаве. Чем меньше их доля, тем выше будут показатели качества стального сплава.
Наиболее вредные химические вещества для стали:
Фосфор. Попадает вместе с рудой в расплав. Его наличие в составе повышает температурный режим, при котором сталь становится хрупкой. Удаление фосфора производят при выплавке, используя шлаки и флюсы.
Сера. Также попадает в расплав с рудой. При реакции химического элемента с железом образуется сульфид, который является компонентом эвтектики, температура плавления которой 988 градусов (явление красноломкости). Для устранения серы в сталь вводится марганец.
Газы (кислород, водород, азот). В расплав попадают из воздуха. При наличии кислорода и азота образуются оксиды и нитриты, вследствие чего сплав становится хрупким. Если же сталь содержит водород, могут возникать флокены (внутренние надрывы). Газы устраняются, когда выплавка стали производится в условиях вакуума и печах электрического типа.
В соответствии с ГОСТом, в зависимости от того, какую долю составляют примеси и газы в сплаве, бывают такие виды:
Обыкновенные. К ним относятся углеродистые сплавы конструкционного типа, стоимость которых самая низкая. У них нет особых свойств. Из такой стали делают конструкции, детали и механизмы, эксплуатация которых производится в стандартных условиях. Доля серы – до 0,06 %, фосфора – до 0,07 %.
Качественные. При их изготовлении требуется более тщательный контроль, чтобы количество примесей было минимальным, а механические характеристики выше, чем у обычных сплавов. Могут быть легированными и нелегированными. Применяются для ответственных деталей и механизмов, где особые свойства не требуются. Доля серы – до 0,04 %, фосфора – до 0,04 %.
Высококачественные. Это могут быть легированные и нелегированные, конструкционные и инструментальные сплавы, которые производятся в дуговых электрических печах путем электрошлакового переплава. Стали этого вида более чистые от примесей и газов, имеют особые характеристики. Из сплавов этой категории делают инструменты, детали и механизмы, которые могут использоваться в особых условиях. Доля серы – до 0,02 %, фосфора – до 0,03 %.
Также производятся стали, которые называют особо высококачественными. К ним относятся такие легированные сплавы, в составе которых максимум 0,15 % серы и 0,025 % фосфора. Для изготовления сырье поддается электрошлаковому или электродуговому переплаву. Стали имеют самые высокие эксплуатационные характеристики.
Маркировка стали и расшифровка
Чтобы понимать буквы и цифры на сплаве, которые указывают производители на своей продукции, могут применяться разные стандарты. Зная, как расшифровать марку, можно установить, какие химические элементы присутствуют в составе сплава, его свойства и для каких целей лучше использовать данный материал. Каждая буква и цифра в маркировке имеет свое значение. Как правило, цифры говорят о концентрации веществ, буквы – о типе сплава и конкретных химических элементах в составе.
Классификация и маркировка по российским стандартам
Под маркировкой понимают особую комбинацию, в которую входят буквы и цифры. Она указывает на качество стали и ее свойства. Если сплав обыкновенный, ставится Ст, после чего идет индекс марки (цифры в диапазоне от 0 до 6) и уровень раскисления. Последний может обозначатся таким сочетанием букв: сп – спокойные, пс – полуспокойные, кп – кипящие стали.
Если в маркировке присутствует А, это говорит о том, что у сплава имеются необходимые механические свойства, но это обозначается не всегда. Буква Б обозначает наличие химических свойств, а В – и механических, и химических характеристик. К примеру, маркировка Ст3 указывает на то, что это сплав, который имеет обычное качество, гарантированные механические свойства и условный индекс 3, где содержание углерода составляет от 0,14 до 0,22 %.
Для качественных сталей буквы в начале маркировки отсутствуют. Для обозначения доли углерода в составе сплава применяется процент (его сотая), степень раскисления указывают в конце комбинации маркировки. К примеру, 08кп означает, что в данном сплаве количество углерода составляет 0,08 %.
Если сталь качественная инструментального типа, маркировка начинается с буквы У, после которой идет количество углерода в сотых долях процента. Заканчивается комбинация буквой А. К примеру, маркировка У7А говорит о том, что это стальной сплав, который имеет высокое качество, а содержание углерода в нем 0,07 %.
Чтобы обозначить быстрорежущую сталь, начинается комбинация маркировки с буквы О. Далее идет процентное содержание вольфрама. К примеру, Р17 означает, что это сталь быстрорежущая, где вольфрам составляет 17 %.
При маркировке легированных сталей конструкционного типа, для указания содержания углерода в составе используются сотые доли процента. После этого идет обозначение химических веществ, а также их процентное содержание в составе сплава. К примеру, если указано 10Х15Н8Т, то это означает, что в данный сплав входят такие вещества: углерод – 0,12 %, хром – 15 %, никель – 8 %, титан – порядка 1 %.
Наличие некоторых букв в маркировке может указывать на определенные свойства стали:
Буква «Ш». Говорит о том, что материал подходит для изготовления подшипников, отличается высокой износостойкостью.
Буква «Л». Обозначение легированных заготовок высокого качества.
Буква «Т». Термоупрочненный сплав.
Буква «К». Высокая стойкость стали к воздействию коррозии.
Буква «Д». Содержание меди в составе сплава.
Буква «У». Указывает на то, что данный вид стали имеет высокие показатели износостойкости.
Буква «Р». Стальные сплавы с вольфрамом в составе, обладают высокими жаропрочными свойствами.
Маркировка по европейским и американским стандартам
Как правило, чтобы промаркировать стали, которые характеризуются стойкостью к коррозийным процессам, в странах Европе и США применяется система AISI. В соответствии с ней, используются 3 цифры, одна или несколько букв. В маркировке стали первая цифра – это класс стали, вторая и третья – порядковый номер сплавав в группе. Буквы могут обозначать следующие параметры сплавов:
долю углерода до 0,03 %
долю углекислого газа в пределах 0,03-0,08%;
наличие азота;
малоуглеродистую сталь с азотом;
высокую концентрацию фосфора, серы;
наличие селена, кремния, меди.
В Соединенных Штатах Америки также могут использоваться другие стандарты для маркировки. В странах Европейского Союза также применяется марочник сталей, который имеет значительные сходства с российской системой маркировки. Здесь содержание углерода указывается в сотых процентах, но сначала перечисляются легирующие элементы, а после этого указывается процент их содержание. Этим данный европейский справочник отличается от того, который используется в Российской Федерации. В случаях, когда процентное содержание химического элемента больше 5, перед маркировкой ставят букву Х. К примеру, обозначение X5CrNi18-10 говорит о том, что это сталь, в котором углерод составляет 0,05 %, хром – 18 %, никель – 10 %.
Методы определения марки стали
Чтобы точно установить, какую марку имеет сплав, нужно установить его качественный и количественный состав, а также твердость. Зная эту информацию, легко определить марку практически любого сплава. Химический состав показывает основной метал, степень легирования и общие характеристики сплава. Степень твердости сплава дает возможность различать сталь с одинаковым химическим составом, но различными технологиями изготовления и дополнительной обработкой металла.
Учитывая то, что довольно редко можно увидеть виды стали, которые имеют одинаковый состав химических веществ, но разные свойства, как правило, определить марку получается по точному составу элементов. Для этого необходимо узнать, какой основной материал в составе сплава, а также все виды легирующих добавок (металлические и неметаллические).
Рентгенофлуоресцентная диагностика является сегодня самым точным, быстрым, неразрушающим методом, чтобы определить состав сплава: долю основного металла и легирующих компонентов, которые имеют металлическую природу. Данный способ также могут называть рентгенофлуоресцентной спектрометрией, РФА, РФСА, XRF. Проанализировать можно даже мельчайшие образцы. В ходе анализа можно обнаружить в сплавах элементы под номерами от 17 до 92 в таблице Менделеева. Чтобы выявить такие химические вещества, как литий, бериллий, азот, алюминий, магний, кремний, кислород, фтор, бор, кислород, натрий, фтор, фосфор, сера, чтобы выполнить анализ, требуется инертный газ.
Для выявления углекислого газа в стали проводится автоматическое кулонометрическое титрование по рН.
Когда производитель не указал марку стали, для определения ее приблизительного качества можно проанализировать вид излома. Для этого производится пробный запил. О прочности материала говорит кристаллическая структура, чем она тоньше, чем выше будет качество.
Если твердость стали низкая, ее легко запилить любым напильником, даже драчевым. Средняя твердость стали поддается только личному и бархатному напильнику. А запилить материал высокой твердости можно при помощи исключительно бархатного напильника.
Чтобы более точно определить маркировку стали, применяется метод по искре, в ходе которого оценивается пучок искр, который образуется на наждачном круге. Разные марки стали имеют разную форму и длину нитей, цвет и количество искр, а также разную ширину их пучка. Сверяя показатели с эталонными образцами, можно узнать, какую марку имеет сплав.
Приборы для определения марки стали
Сегодня чаще всего для определения химического состава сплавов применяют рентгенофлуоресцентный и искровой оптико-эмиссионный методы. Они позволяют узнать марку стали с требуемой точностью, а время анализа составляет всего 10-40 секунд, при этом лаборатория не требуется.
Используются такие виды устройств:
Портативный РФА спектрометр. Прибор пользуется широкой популярностью. Имеет небольшой вес, может применятся в полевых условиях даже при низких температурных режимах. Позволяет оценить любую форму и вес пробного образца, нет требований к его качеству. Эффективно определяет наличие в сплаве таких химических элементов: титан, железо, кобальт, никель, молибден, цинк, хром, медь, ниобий, ванадий, селен, углерод, сера, фосфор, кремний, алюминий, цирконий, олово, тантал, вольфрам, золото, фтороводород, свинец, висмут и др., но такие элементы, как магний, натрий, литий, бериллий, азот, бор не может определить, особенно если их концентрация небольшая (до 0,05). Высокая точность показателей при высоких концентрациях веществ в составе.
Искровой оптический спектрометр. Максимально точный прибор. Может определить концентрацию элементов до 0,00001 %, которые содержит технологическая проба. Точно устанавливает марки сталей и чугунов. Устройство определяет углерод, серу, фосфор, азот, бор, плохо определяет углерод, фосфор, серу, азот. Бывает настольным и напольным. Основной недостаток – значительный вес, но существуют и портативные устройства, которые имеют выносной датчик.
Таким образом, чтобы точно определить сплав металла, стали, лучше использовать второй вариант приборов. А для сортировочных работ в складских условиях и определения марки стали ориентировочно, подойдут портативные РФА спектрометры.
Сегодня в продаже представлены разные виды изделий из стали. Как правило, производитель проставляет маркировку. Когда же она неизвестна, можно воспользоваться специальным оборудованием для определения точных составов стальных сплавов.
