Что положено в основу классификации стали по качеству
ГОСТ Р 54384-2011 (EH 10020:2000)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Определение и классификация по химическому составу и классам качества
Steel. Definition and classification by chemical composition and classes of quality
Дата введения 2012-03-01
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина» (ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 375 «Металлопродукция из черных металлов и сплавов»
4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к европейскому региональному стандарту ЕН 10020:2000* «Определение и классификация марок стали» (EN 10020:2000 «Definition and classification of grades of steel») путем изменения отдельных фраз и слов, которые выделены в тексте курсивом**; путем включения дополнительных технических требований, которые выделены вертикальной линией, расположенной на полях текста.
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного европейского регионального стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (подраздел 3.5).
Указанные технические отклонения направлены на учет особенностей национальной классификации сталей. Объяснение причин внесения технических отклонений приведено в дополнительном приложении ДА
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает определение термина «сталь» (раздел 2) и подразделяет стали:
2 Термины и определения
В настоящем стандарте применен следующий термин с соответствующим определением:
2.1 сталь: Материал (сплав железа с углеродом), в котором массовая доля железа больше, чем массовая доля какого-либо другого элемента, а массовая доля углерода составляет менее 2%, и в состав которого входят также и другие химические элементы.
У небольшого количества хромистых сталей массовая доля углерода может превышать 2%. Обычно массовая доля углерода, равная 2%, является границей раздела между сталью и литейным чугуном.
3 Классификация стали по химическому составу
3.1 Эквивалентная массовая доля легирующих элементов
Классификация стали устанавливается стандартами или другими техническими документами на поставку продукции независимо от того, какая сталь фактически произведена, при условии, что ее химический состав удовлетворяет требованиям соответствующего стандарта.
3.1.1 Классификация стали основывается на предусмотренном конкретными стандартами или техническими документами химическом составе по анализу ковшевой пробы (маркировочному анализу) и устанавливается, исходя из нижнего предела массовой доли каждого химического элемента.
3.1.2 Когда по конкретному химическому элементу, входящему в состав стали, кроме марганца, стандартом или другими техническими документами для анализа ковшевой пробы (маркировочного анализа) установлен только верхний предел массовой доли, классификацию стали по таблицам 1 и 2 необходимо выполнять, принимая во внимание только 70% верхнего предела. В отношении марганца следует руководствоваться сноской а) к таблице 1.
3.1.3 Когда в стандарте или других технических документах данные о химическом составе стали базируются на результатах анализа готовой продукции, химический состав стали по анализу ковшевой пробы (маркировочному анализу) следует рассчитывать на основе предельных отклонений, установленных конкретным стандартом или другими техническими документами на продукцию.
В том случае, когда в стандарте или других технических документах на продукцию данные по химическому составу базируются на результатах анализа готовой продукции, а предельные отклонения между анализом ковшевой пробы (маркировочным анализом) и готовой продукции отсутствуют, классификация основывается на анализе готовой продукции.
3.1.4 При отсутствии стандарта или других технических документов на продукцию и если точный химический состав стали не задан, классификация основывается на фактическом анализе ковшевой пробы (маркировочном анализе), заявленном изготовителем.
3.1.5 Массовая доля химических элементов по анализу готовой продукции может отличаться от заданной для анализа ковшевой пробы (маркировочного анализа) на значение предельных отклонений, установленных соответствующим стандартом или другими техническими документами. Предельные отклонения от заданной массовой доли элементов на разделение стали на нелегированную и легированную не влияют.
Если по результатам контрольного анализа готовой продукции сталь следует отнести к другому классу, в отличие от предусмотренного, первоначально присвоенный класс должен быть отдельно и достоверно подтвержден.
3.1.6 Многослойная продукция или продукция с покрытием классифицируются в соответствии с химическим составом продукции, на которую наносилось покрытие или которую плакируют.
3.1.7 Для каждого легирующего элемента заданная, расчетная или фактическая массовая доля по анализу ковшевой пробы (маркировочному анализу) должна быть выражена с таким же количеством десятичных знаков, которое указано в таблице 1. Например, заданный диапазон массовой доли 0,3%-0,5% соответствует диапазону 0,30%-0,50%. Заданную массовую долю 2% следует оценивать как 2,00%.
3.2 Определение классов по химическому составу
3.2.1 Нелегированные стали
К нелегированным сталям относятся такие стали, у которых определяемая в соответствии с 3.1 массовая доля любого химического элемента менее указанной в таблице 1.
Сталь – сплав железа, содержащий менее 2,14% углерода и другим металлические и неметаллические компоненты. Она является одним из самых распространенных материалов и самым распространенным металлическим сплавом. Сталь применяется во всех отраслях хозяйства и во всех сферах жизни человека — от иголки шитья до корпуса атомного реактора и от винтика в дверном замке до пилона моста через пролив. За время развития металлургии для различных целей были разработаны сотни различных сортов, или марок сталей. Из них широко используются 7-8 десятков, остальные служат для специальных и редких применений.
Классификации сталей
Чтобы разобраться во всем многообразии марок, металлурги применяют несколько классификаций:
Существуют и другие классификации, но их применение ограничивается научными и узкоспециальными областями применения.
Классификация по химическому составу
По химическому составу классификацию проводя, подразделяя на: углеродистые и легированные стали, которые, в свою очередь, подразделяются на:
углеродистые
Содержание углерода, %
0,45
высокоуглеродистые
легированные
Содержание присадок,%
10
высоколегированные
Содержание углерода не влияет на степень легирования, Если доля Mn превышает 1%, а Si- 0,9%, они также признаются легирующими добавками
Классификация по структуре
Структура стали, кроме ее химического состава, зависит от многих факторов, влиявших на нее на этапах отливки и термической обработки. Классификация по структуре после процедуры отжига, во время которого заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи, следующая:
После проведения процедуры нормализации, заключающейся в нагревании до температуры пластичности и остывании на открытом воздухе, классификация различает такие группы, как:
Классификация по степени раскисления
Процесс раскисления приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Классификация предусматривает такие классы, как:
Основными раскислительными добавками служат Mn, Al, Si.
Классификация сталей по степени раскисления
Классификация стали по содержанию примесей
Кроме классификации по содержанию углерода и по степени раскисления, применяется классификация по качеству, определяемому методом производства и содержанием вредных примесей, прежде всего, серы и фосфора. Классификация сталей по качеству:
Группа
Сера, %
Фосфор, %
Обыкновенные (рядовые)
Обыкновенного качества
Большую часть рядовых сталей составляют углеродистые сплавы (С Качественные
К качественным относятся как углеродистые, так и легированные. Также производятся мартеновским или конвертерным способом с кислородным дутьем, но к составу сырья предъявляются намного более строгие требования, чем в случае рядовых. Также строже требования к соблюдению параметров плавки и розлива. Такие группы сталей стоят дороже и применяются для более ответственных деталей, работающих в условиях серьезных нагрузок.
Классификация сталей по качеству
Высококачественные
Эта группа производится более совершенными с точки зрения технологии способами, такими, как выплавка в электропечах. Особенности технологии производства позволяют добиться особо низкого содержания вредных примесей неметаллов и газовых включений, что гарантирует высокие механические свойства. Такие стали используются в особо ответственных узлах, а стоимость их в несколько раз выше, чем обычных.
Особовысококачественные
Они завершают классификацию сталей по качеству. Их производят, переплавляя электрошлаковым способом, что дает возможность в несколько раз снизить содержание примесей. Некоторые марки по цене приближаются к драгоценным металлам, и применяют такие легированные стали в уникальных случаях — в деталях атомных реакторов, криогенных установках, оборонной и аэрокосмической отрасли и некоторых других.
Классификация стали по назначению
Следующий вид классификации сталей — по назначению:
Эта классификация в достаточной степени условна, в одной группе могут находиться десятки марок, а в другой — одна-две.
Классификация сталей по назначению
К тому же многие марки по своим механическим свойствам применимы и для смежных назначений. При выборе марки для конкретной конструкции или детали дизайнеры и технологи учитывают, кроме формального назначения, еще множество факторов, таких, как цена, обрабатываемость, совместимость с другими деталями по коэффициенту теплового расширения и других. Иногда конструктор применяет марку, заведомо превосходящую по своим параметрам и стоимости простую конструкционную марку, вполне подходящую для данной детали. Это допустимо в условиях уникального производства или особо малых серий, высоких транспортных расходах, и ряде других случаев. Любое такое решение должно быть оправдано с финансовой точки зрения.
Конструкционные
Конструкционные стали обыкновенного качества представляют собой одну из самых обширных групп.
Строительные
Сюда входит большое количество марок рядовых углеродистых и сплавов низкого легирования. Из таких материалов создают сложные пространственные конструкции, нагрузка в которых равномерно распределяется между всеми элементами. К каждому из них не предъявляется особых требований, кроме хорошей свариваемости.
Для холодной штамповки
В ходе холодной штамповки форма заготовки и ее размеры существенно меняются, поэтому к этой группе низкоуглеродистых качественных сплавов основное требование другое — высокая пластичность и стойкость на разрыв.
Цементируемые
Эта группа используется для производства узлов и деталей, подверженных трению и переменным периодическим нагрузкам. Процедура цементации служит для повышения стойкости поверхности к износу. В нее входят низкоуглеродистые (0,1-0,3%) и часть легированных сплавов.
Изделия из цементируемой стали
Улучшаемые
Эти марки предназначены для специальных видов термообработки, таких, как закалка и отпуск, применяемых для улучшения прочностных и других механических характеристик материала. В группу входят как среднеуглеродистые, так и хромистые, в том числе с присадками бора, марганца, никеля и молибдена.
Высокопрочные
Для высокопрочных среднеуглеродистых высоколегированных сплавов специально подбирается состав и соотношение присадок, а также специфические программы термообработки. В результате металлурги достигают прочностных характеристик, в два и более раза превосходящих параметры конструкционных марок. Применяются в особо ответственных узлах.
Пружинные
Главная особенность пружинно — рессорных марок — это способность к многократным упругим деформациям без накопления эффекта усталости. Очень широко применяются на транспорте и в машиностроении, везде, где требуется амортизация, гашение колебаний или обеспечение возврата частей механизма в исходное положение после выполнения рабочего движения. Для повышения предела упругости углеродистые сплавы легируются кремнием, марганцем, бором и другими элементами.
Подшипниковые
Чтобы обеспечить требуемый ресурс эксплуатации двигателей, станков и других механизмов, использующих подшипники, изделия из сплавов этой группы должны быть высокопрочными, износостойким и выносливыми. Должны быть минимизированы посторонние включения, неоднородности, все виды пор. Содержат около одного процента углерода и 0,8-1,5% хрома, подвергаются специальному уплотнению и термообработке
Автоматные
Главный параметр для сплавов этой группы — высокая обрабатываемость, образование легко отламывающейся короткой стружки и пониженное трение меду деталью и инструментом. Их применяют для производства массовых серий крепежных компонентов на автоматизированных производственных комплексах. В состав добавляют серу, свинец, селен и теллур. Минусом становится сниженная пластичность материала.
Износостойкие
Путем добавления в сплав больших количеств марганца получают износостойкие марки стали. Их назначение — производство узлов, подверженных сильному трению, в том числе и абразивному, большим статическим и динамическим нагрузкам. Это элементы стрелок на рельсовом пути, горного оборудования, ковшей погрузчиков, гусениц.
Заслонка из износостойкой стали
Коррозионностойкие нержавеющие
Эти низкоуглеродистые сплавы подвергают сильному легированию хромом и марганцем. При кристаллизации хром формирует тонкий поверхностный слой окислов, защищающий деталь от воздействия химически активных сред. Такие сплавы могут эксплуатировать как в слабоагрессивных (вода, пар), так и высоко агрессивных средах (растворы кислот, щелочей, морская вода) при температурах до 60 °С
Внутри коррозионностойкой группы есть своя классификация
По своим свойствам эти материалы значительно отличаются от широко известно пищевой нержавейки, из которой делают посуду и кухонное оборудование.
Инструментальные стали
К материалам из большой и разнообразной группы инструментальных марок предъявляются специфические требования, связанные с особенностями применения производимых из них изделий. Внутри группы также есть свои подгруппы. Основные – это сплавы для:
Для режущих инструментов
Главное требование к сплавам этой группы — способность сохранять заданную твердость, прочность и термостойкость при длительных механических и термических нагрузках.
Инструмент из инструментальной стали для режущих инструментов
Такие сплавы отличаются весьма высокой стоимостью, поэтому режущий инструмент, как правило, не делают целиком из инструментальных материалов, а используют режущие пластины или поверхности другой формы, вплавляемые или закрепляемые на основе, сделанной из конструкционных марок. Это позволяет существенно снизить стоимость и продлить срок службы инструмента
Группа также подразделяется на:
Высокая стоимость прогрессивного инструмента с лихвой окупается в общем случае повышением производительности оборудования, сокращением износа станков в расчете на одно изделие, снижением трудоемкости и повышением темпа выпуска изделий. Экономический эффект зависит от размера серии.
Стали для измерительных инструментов
Основное требование к материалам этой группы — это стабильность формы и размеров в процессе измерения и хранения.
Изделие из стали для измерительных инструментов
Второе по значимости свойство — это исключительное качество поверхности, хорошая обрабатываемость и особенно шлифуемость. Разумеется, требования к износостойкости и твердости также остаются в силе. Применяют как недорогие углеродистые славы, так и легированные хромом, никелем и другими присадками. Изделия подвергают цементации и закалке для улучшения качества поверхности и повышения износостойкости. В последнее время, с развитием передовых бесконтактных способов и средств измерения, таких, как лазерные, ультразвуковые и программно-аппаратное интегрированные в обрабатывающие центры, потребность в сплавах этой группы несколько снизилась. Но они по-прежнему востребованы как на опытных производствах, так и при изготовлении и поверке тех самых прогрессивных средств измерения.
Штамповые стали
Сплавы этой группы должны отличаться особой твердостью, прокаливаемостью и термостойкостью. Главное же требование к ним — высокая износостойкость и постоянство формы изделия. Сюда входят сплавы:
Валковые стали
Применяются для изготовления разнообразных валков прокатных станов, ножей для резки металла, матриц и пуансонов. Применяются также для изготовления уникальных высоконагруженных узлов бумагоделательного и горного оборудования.
К ним выдвигаются следующие требования:
Завершается перечень требований приемлемой обрабатываемостью изделий и отличной шлифуемостью и полируемостью поверхностей. Это позволит получать прокат стабильно высокого качества.
Что означает маркировка стали
По маркировке стали можно легко определить ее назначение, химический состав, метод производства и некоторые другие параметры, иными словами, произвести исчерпывающую классификацию.
В Российской Федерации и странах СНГ маркировка состоит из цифровых и буквенных позиционных обозначений. На первом месте располагаются одна или две цифры, показывающие процент содержания углерода.
Если его больше одного процента, используют две цифры, если меньше — то одну, и значение показывается в десятых долях.
Пример расшифровки маркировки стали
Далее идут группы, обозначающие тип и содержание легирующих присадок
Буквенные коды элементов можно посмотреть здесь: буквенные обозначения легирующих присадок
Если содержание элемента больше одного процента, то указывается содержание в процентах, если меньше — остается только буква.
В конце кода может быть добавлена буквы А или АА, обозначающая содержание фосфора и серы и соответствующая качественным и высококачественным категориям.
Маркировка нержавеющей сварочной проволоки
Добавляют также и буквы, указывающие на степень раскисления:
В США и Западной Европе, а также в Китае и Японии приняты свои способы классификации и маркировки сталей. Таблицы соответствия содержатся в марочниках.
Маркировка конструкционных и инструментальных сталей.
Классификация качественных углеродистых сталей
Классифицировать углеродистые качественные стали конструкционные стали можно по следующим признакам:
Наглядная классификации видов стали
Раскисление оказывает влияние на однородность внутренней структур металла. Лучшей по однородности является спокойная (а, г), за ней следует полуспокойная (в, е) и менее качественная кипящая (б, д). Внутренняя структура хорошо показана на рисунке.
Низколегированная конструкционная сталь
Низколегированная сталь нашла свое применение в производстве вагонов, подвижных составов, локомотивов, в технике для сельскохозяйственного и промышленного назначения. Любые изделия из низколегированной стали способны выдерживать очень большие и тяжелые нагрузки. Они не имеют какие-либо ограничения.
У легированной стали маркировка может быть следующей: две цифры (содержание углерода), буквы без цифр (легирующий элемент), буква и цифра (легирующий элемент в процентах) и буква в конце маркировки (показатель очень высокого качества стали).
Общая характеристика качественных углеродистых сталей
Основными отличиями качественных сталей от сталей обыкновенного качества являются:
Сталь поставляется от производителя с гарантией заявленного состава химических элементов и присущих им механических свойств.
Говоря о характеристиках качественных сталей следует выделить самые значимые:
Изменение структуры стальных слитков в процессе твердения
Но для улучшения эксплуатационных характеристик сотрудники институтов и лабораторий экспериментируют над химическим составом, способами повышения прочности и твердости поверхностей, методами термической обработки, способами плавки и разливки металла. Механические свойства углеродистых качественных сплавов зависят от химического состава.
Свойства присущие углеродистым сплавам:
Коррозийно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы
Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. Элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (Al, Fe)2O3.
Коррозионно-стойкие стали устойчивы к электрохимической коррозии.
Стали 12Х13 и 20Х13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабо агрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот).
Стали 30Х13 и 40Х13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д.
Стали 15Х25Т и 15Х28 используют чаще без термической обработки для изготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и не подвергающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже −20°С.
Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (азотная кислота).
Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Сплав 04ХН40МДТЮ предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты.
Для изготовления аппаратуры, работающей в солянокислых средах, растворах серной и фосфорной кислоты, применяют никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе Ni-Mo имеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кислоты.
Для изготовления сварной аппаратуры, работающей в солянокислых средах, применяют сплав Н70МФ.
Наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, солянокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах.
Сталь Н70МФ — sв=950МПа, s0.2=480МПа, d=50%.
Двухслойные стали нашли применение для деталей аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде. Эти стали состоят из основного слоя — низколегированной (09Г2, 16ГС, 12ХМ, 10ХГСНД) или углеродистой (Ст3) стали и коррозийно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1-6мм из коррозийно-стойких сталей (08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х13) или никелевых сплавов (ХН16МВ, Н70МФ).
Сталь ХН65МВ — sв=1000МПа, s0.2=600МПа, d=50%.
Применение качественной конструкционной углеродистой стали
Область применения достаточно широка. Основными потребителями сплавов являются машиностроительная и строительная отрасли. Одним из достоинств считается хорошая свариваемость.
Как следует из названия, «конструкционная» — значит использующаяся для строительных металлоконструкций. Другое название – арматурные стали.
Рассматривая основные марки качественных сталей, использующиеся промышленными предприятиями можно разделить по назначению.
Машиностроительные типы
Характеристики по общему назначению
Конструкционные сплавы, общего назначения делятся на две основные группы. Первая — среднелегированная и низколегированная. Вторая группа — среднеуглеродистая и малоуглеродистая.
При производстве сплава общего значения подвергается строгой проверке. Происходит контроль продукции и испытания на многие показатели. Особое внимание уделяется пластичности материала, проверяется прочность и надежность, материал проходит испытание на ударную вязкость. В зависимости от классификации металла, сферы его применения могут учитываться и другие не менее важные показатели. Их очень много и их также проверяют по некоторым важным характеристикам и свойствам.
Если рассматривать первую группу среднелегированных низколегированная, то они изготавливаются для машиностроителей. Такие сплавы относят к доэвтектоидным перлитным сталям. Для вязкости в этих марках используют никель и молибден. К таким сталям относят 40ХН2СМА, 40ХГТ, 40ХГР, 30Х3МФ, 45ХН2МФА, 25Х2ГНТРА, ЗОХГСН2А, 08Х15Н5Д2Т
Конструкционные сплавы, которые производятся для машиностроительной отрасли могут подразделяться с учетом метода их упрочнения. Таким образом, такую сортовую сталь можно подразделить на сплав с упрочнением верхнего слоя, без обработки и с упрочнением по всему объему.
Многие конструкционные стали применяются без термообработки. То есть они производятся и отпускаются потребителям в обычных листах металла. Для такой продукции есть одно важное условие – минимальное количество углерода и кремния. Именно небольшое количество кремния и углерода обеспечивают отличную стяжку материалу в холодном виде. То есть конструкционная сталь легко поддается нужной деформации. Среди этих сталей распространены такие марки как Ст3сп5, 08пс, 08Ю, Ст20, Ст30, Ст40 и другие
Если происходит выпуск качественной сортовой стали, то в свою очередь она должна пройти несколько вариантов термообработки: закалку, после которой можно проводить отпуск продукции, стандартную закалку металла с обязательным отпуском (наиболее эффективная сварка готовой продукции), и последний вариант нормализацию.
Особенности маркировки
Для обозначения используется буквенно-цифровой индекс. Цифры говорят о процентном содержании углерода (0,00%). Буквы (кп, пс или сп) говорят о степени раскисления, о повышенном количестве марганца (Г), алюминия (Ю), ванадия (Ф) и о способе обработки. Буква А, стоящая перед цифрами обозначает сплав автоматный, буква К после цифр – сплав котловой, ПВ – изготовлена горячим прокатыванием, ОсВ – металл для производства железнодорожных осей вагонов. Для обозначения качественных сталей в отличие от обыкновенного качества перед маркировкой пишется «Сталь».
Зарубежные производители аналогичной продукции производят маркировку по собственным стандартам.
Легированные конструкционные стали
Конструкционно легированная сталь в своем составе содержит несколько химических веществ. К ним можно отнести марганец, никель, а также хром. Но они могут содержать не все три компонента, а только один химический показатель. Именно поэтому произошло разделение: на низколегированную сталь, где число различных добавок не дошло превышать свыше 2.5%; на средне легированную сталь, где показатель примесей можно увеличить только до 10%, высоколегированную сталь, в которой добавочные элементы могут быть свыше 10%.
