Сталь: какой это сплав и каковы его характеристики

Сталь – какой сплав? Он относится к железоуглеродистым соединениям, то есть сочетает уникальные свойства железа и углерода. Поэтому материал обладает высокой прочностью, устойчивостью к коррозии, отлично обрабатывается. Помимо этого, добавляют и другие компоненты.

На что влияет? Состав сплава влияет на качество стали. Различные добавки придают материалу особые свойства, например, повышенную твердость или пластичность. Поэтому от ингредиентов зависит, в каких условиях и отраслях можно применять то или иное соединение.

Характеристики стали как сплава

Сталь – один из самых востребованных в промышленности материалов. В 2023 году только в России было произведено 75,8 миллиона тонн этого сплава, а во всем мире объем производства составил 1,849 миллиарда тонн.

Чтобы понять, какой сплав является сталью, рассмотрим ее основные свойства:

• Прочность. Высокий показатель указывает на стойкость материала. Сталь может выдерживать значительные нагрузки без разрушения или деформации, поэтому широко используется в станкостроении, автомобильной промышленности, строительстве и других отраслях.
• Пластичность. Стальной сплав легко поддается обработке, включая ковку, прокат и вытяжку, что позволяет придавать материалу желаемую форму.
• Устойчивость к коррозии. Сталь содержит хром и никель – специальные добавки, повышающие ее коррозионную стойкость.

В результате смешивания двух или более простых веществ при температуре, превышающей их точку плавления, получается сплав. Он считается металлическим, если содержит не менее 50 % металлов.

Фото: designwizard2002 / Freepik

Какие железоуглеродистые сплавы называют сталью? Основные ее составляющие – железо (Fe) и углерод (C). Содержание последнего может достигать 2,14 %, за исключением специальных типов, в которых его доля может составлять 3,14 %. Углерод придает металлу прочность, ковкость и долговечность, что значительно улучшает его характеристики и позволяет расширить область применения. Однако большая концентрация этого химического элемента приводит к снижению пластичности и вязкости материала.

При температуре от +27 до +100 °C средний температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) стали составляет около 10–18 °C. В нагретом состоянии, в зависимости от типа стального сплава, при температуре +900…+1000 °C ТКЛР может достигать 24,6⋅10–6 °C.

Как правило, в сплаве содержится не более 1,45 % углерода. Кроме того, в более дешевых марках могут присутствовать сера, фосфор и газообразные включения. Эти примеси негативно влияют на характеристики материала, поэтому для получения качественных сплавов их удаляют. В зависимости от доли содержания углерода типы стали классифицируются на высоко-, средне- и низкоуглеродистые.

Большим спросом в различных промышленных сферах пользуется высоколегированная сталь. Какой это сплав и как его получают, рассмотрим подробнее. Легированием называется введение в состав материала добавок – активных неметаллических компонентов, усиливающих ударопрочность, устойчивость к высокой температуре и другие необходимые свойства соединения, а также повышающие его качество. Например, в стали с высоким уровнем легирования содержание железа обычно всего 45 %, а оставшуюся часть составляют углерод и легирующие элементы, такие как хром.

Высоколегированная сталь отличается максимальной коррозионной устойчивостью. При правильно подобранных пропорциях компонентов из такого металла можно изготовить практически любую деталь или конструкцию.

Все составы сплавов и характеристики стали определяются в соответствии с ГОСТ.

Свойства сплавов стали

• Плотность: 7700–7900 кг/м³ (7,7–7,9 г/см³).
• Температура плавления: +1450…+1520 °C.
• Удельный вес: 75 500–77 500 Н/м³ (7700–7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
• Удельная теплоемкость при +20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
• Коэффициент теплопроводности при +100 °C: 50,2 Вт/(м·К) (углеродистая сталь марки 30).

• Предел прочности при растяжении: от 314 МПа до 1,52 ГПа.
• Цвет: серебристо-серый.

Сталь плавится только при высокой температуре, что отличает ее от таких легкоплавких металлов, как цинк, свинец или олово. Изделия из нее намного тяжелее аналогов из других материалов. Например, стальная деталь весит в 2,5 раза больше такой же конструкции из алюминиевого сплава, так как его плотность составляет 2400–2900 кг/м³. Следует отметить, что все черные типы стали обладают магнитными свойствами, которые при снижении доли углерода только усиливаются.

Компоненты сплавов стали

Сталь – это сплав. Очень важно знать, из каких металлов он производится, так как от этого зависят его свойства. Основным компонентом является железо, доля которого должна составлять не менее 45 %. Второй обязательный элемент – углерод.

Негативно влияют на качество конечного соединения такие химические элементы, как сера, фосфор, а также газы: кислород, азот и водород:

• Кремний. Раскисляет сплав, повышает его прочность и свариваемость.
• Сера. Уменьшает показатели вязкости и пластичности, что приводит к красноломкости – появлению трещин при горячей обработке давлением.
• Фосфор. Понижает вязкость и пластичность, вызывая холодноломкость, когда материал растрескивается при холодной механической обработке.
• Кислород, азот. Эти газы негативно влияют на вязкость и пластичность, разрушая структуру материала.
• Водород. Увеличивает хрупкость сплава. Для улучшения характеристик вводят легирующие добавки.
• Хром. Обеспечивает высокую твердость при закаливании, повышает стойкость к износу и коррозии. Нержавеющая сталь – сплав, содержащий более 12 % Cr.
• Марганец. Добавление этого элемента улучшает прокаливаемость металла и снижает неблагоприятное влияние серы. Также Mn может содержаться в составе сплава в виде примесей.

Фото: wirestock / Freepik

• Никель. Повышает коррозионную стойкость, твердость и вязкость стали.
• Молибден. Один из основных легирующих компонентов в жаропрочных сплавах. Его концентрация варьируется от 0,15 до 0,8 %.
• Вольфрам. Является карбидообразующим элементом. Используется для производства высокопрочных типов стали.
• Ванадий. Повышает прочность и износостойкость. Содержание в конечном продукте составляет: в штамповых типах стали – от 1,0 до 1,5 %, в специальных – от 0,2 до 0,8 %.

Все сплавы делятся на два основных вида: углеродистые и легированные. На свойства и характеристики полученной стали, прежде всего, влияют компоненты, входящие в ее состав, и режим термической обработки.

Виды сплавов стали

Углеродистый

Сначала рассмотрим, какой сплав называют углеродистой сталью.

Сталь, где основной присадкой является углерод, а остальные компоненты присутствуют в небольшом количестве, называют углеродистой. В зависимости от процентного содержания этого элемента выделяют три ее группы:

• Низкоуглеродистая. Доля углерода – до 0,25 %. По факту является чистым железом, характеризуется мягкостью и пластичностью. Хорошо сваривается, не образуя внутренних напряжений. Практически не поддается закалке.

Повысить прочность изделий из такого сплава возможно, только прибегнув к цементации, то есть добавить углерода в поверхностный слой материала. Например, такой результат можно получить при закалке в масле. Сталь с низким содержанием C используется при производстве сложной сварной, гнутой, штампованной продукции.

• Среднеуглеродистая. Содержание углерода – от 0,26 до 0,6 %, что позволяет значительно улучшить свойства материала, повысить его прочность посредством применения различных режимов термической обработки. Сплав поддается отпуску и последующей закалке.

При выполнении сварочных работ необходимо учитывать возможные изменения, характерные для этой группы стали в результате нагрева.

Сплав подходит для изготовления деталей, которые при эксплуатации будут испытывать значительные нагрузки, например, инструменты и элементы скольжения.

• Высокоуглеродистая. Значительная доля углерода – от 0,6 до 1,5 %. Сплав отличается повышенной прочностью и упругостью, поэтому из него изготавливают витые и пластинчатые элементы, пружины, режущие инструменты.

Однако следует отметить, что для такой стали характерна плохая свариваемость, в самом шве и вокруг него возникают сильные внутренние напряжения, способствующие образованию трещин. Еще одна особенность этой группы – материал слабо поддается отпуску. К тому же тонкий металлический лист прогорает даже при первом контакте с электродом.

Легированный

Любое стальное соединение производится на основе железа, к которому добавляются специальные присадки.

В свою очередь легированные типы стали делятся на три группы по количеству дополнительных компонентов:

• низколегированные – до 2 % примесей;
• среднелегированные – до 10 %;
• высоколегированные – 11 % и более.

Кроме того, выделяют различные виды сплавов:

• Нержавеющие. Добавление хрома и никеля значительно повышает коррозионную стойкость соединения. Для улучшения других эксплуатационных свойств в состав дополнительно могут вводиться молибден, ниобий или титан.
• Инструментальные (быстрорежущие, штамповые и др.). Обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, поэтому применяются для изготовления инструментов.

Фото: Baho / Freepik

• Жаропрочные. Присадки никеля и молибдена придают сплаву свойство сохранять прочность при высокой температуре. Такие соединения востребованы для производства двигателей, турбин и различных устройств, предназначенных для эксплуатации в очень жестких температурных условиях.

Качество сплавов стали

Мы узнали, какие сплавы относятся к стали, теперь необходимо выяснить, от каких факторов зависит ее качество. Высокие характеристики конечного продукта определяются исходным сырьем, спецификой процессов производства, видом плавки, содержанием примесей и т. д.

По качеству сталь подразделяют на четыре группы:

• Обыкновенного качества. Это экономичные углеродистые сплавы, в которых содержание C составляет менее 0,6 %, S – в пределах 0,045–0,060 %, P – от 0,04 до 0,07 %. Сталь этой группы уступает аналогичным материалам других классов по всем основным характеристикам.
• Качественные. Такие соединения могут быть как углеродистыми (марки 08, 10, 15 и др.), так и легированными (марки 0,8кп, 10пс и т. д.). Наличие примесей в качественном сплаве ограничено: S – не более 0,04 %, P – от 0,035 до 0,04 %.

• Высококачественные. Углеродистые или легированные сплавы с минимально допустимым содержанием примесей: S – не более 0,02 %, P – не выше 0,03 %. К этой группе относятся марки 20А и 15Х2МА.
• Особо высококачественные. Только легированные типы стали, в которых содержание S не должно превышать 0,015 %, а P – до 0,025%. Например, марки 20ХГНТР-Ш, 18ХГ-Ш.

Производство сплавов стали

Сталь производят многие индустриально развитые страны, однако лидирующую позицию на мировом рынке занимает Китай.

В России находится один из лучших металлопрокатных заводов, входящий в число 15 самых влиятельных металлургических компаний в мире.

Существует три основных метода получения стали:

Термический

• Отжиг – выполняется нагрев до заданной температуры и медленное охлаждение различных видов материалов с разной скоростью.
• Закалка – при нагреве до температуры, превышающей критическую, происходит изменение структуры кристаллической решетки сплава, а затем сталь быстро охлаждается.
• Прокаливаемость – способность стального соединения приобретать слой с мартенситной структурой в результате закалки.

Фото: andrey.a / Freepik

• Отпуск – термическая обработка, которая проводится сразу после закалки с целью снижения напряжения в сплаве.
• Нормализация – процесс, аналогичный отжигу, но осуществляется на воздухе, а не в печи.

Термомеханический

• В процессе высокотемпературной термомеханической обработки (ТМО) сразу же после нагрева, пока сохраняется аустенитная структура сплава, проводится закалка и наклеп. При прокатке или штамповке происходит пластическая деформация. Эти изменения сохраняются на 70 % и после охлаждения, прочность стали повышается.
• При низкотемпературной ТМО холоднокатаная сталь подвергается нагреву до аустенитного состояния, а затем охлаждается ниже точек рекристаллизации для формирования мартенситной фазы в диапазоне от +400 до +600 °C. После этого выполняется закалка, наклеп и прокатка. После охлаждения эффект сохраняется в полном объеме.

Термохимический

Термохимическая обработка – процесс нагрева сплава с последующей его выдержкой в определенной химически активной среде.

Для улучшения свойств стали применяются следующие технологии:

• Цементация – процесс насыщения поверхности сплава углеродом для повышения износостойкости верхнего слоя.
• Азотирование – получение верхнего износостойкого слоя путем насыщения стали азотом. В отличие от цементации, обеспечивает более высокую коррозионную стойкость.
• Нитроцементация и цианирование – поверхностный слой насыщается двумя элементами: углеродом и азотом. Технология позволяет увеличить скорость и производительность процесса обработки.

Данный этап определяет структуру стали, ее состав и свойства. Сталеплавильный процесс подразделяется на два основных типа:

• конвертерный – расплавленный передельный чугун очищается от ненужных примесей в конвертере с помощью продувки кислородом;
• подовый – сталь выплавляется в мартеновских или электрических печах.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Изображение в шапке статьи: Freepik / Freepik