Сталь – характеристики, особенности и сферы применения

Что представляет собой

Сталь – материал, сопровождающий человека по жизни. Это корпус автомобиля, лезвие кухонного или охотничьего ножа, инструменты, остов конструкций, тысячи других изделий.

Она не относится к металлам – это сплав железа, углерода, марганца и других примесей-лигатур.

Основной металл стали – железо.

Содержание компонентов сплава – железо (45+%), углерод (0,2-2,14%), примеси (остальное). Они могли бы составить формулу вещества.

На пару с чугуном – продукт черной металлургии.

Ее оттенок стал эталоном цвета – стального.

История

Документированная история сплава начинается за два тысячелетия до нашей эры:

• В Турции откопаны образцы возрастом почти 4 тысячи лет.
• Европейцам материал стал доступен со времен Античности.
• Самыми известными артефактами Средневековья стали булатные мечи. С той эпохи это был главный материал холодного оружия.

Веками сохранялся втайне секрет изготовления дамасской стали и японских самурайских мечей.

• Расцвет стального производства наступил в связи с войнами XIX века. XX век пополнил ассортимент танковой броней, корпусами самолетов, шлемами.

В третьем тысячелетии сплав не сдает позиций перед материалами нового поколения.

Особенности материала

Свойства стали не заложены природой, они определяются человеком.

Он решает, какой состав будет у материала, каким способом его получать, как дорабатывать:

• Железо делает сплав пластично-вязким, его легко обрабатывать.
• Углерод придает твердости, но его не бывает более 3,39% (иначе материал станет хрупким).
• Для придания нужных характеристик основу обогащают легирующими добавками. Часто это цветные металлы. Например, хром делает ее жаропрочной, никель – вязкой и невосприимчивой к коррозии.

Доля легирующих присадок измеряется десятыми долями либо парой процентов, но физические и химические свойства конечного продукта меняются кардинально.

Фосфор, сера, свободный кислород, азот понижают порог пластичности и прочности. В процессе плавки их удаляют.

Свойства сплава определяются также методом выплавки – термообработка (закалка), горячий/холодный прокат, другие.

Сталь часто путают с чугуном. Это действительно самые близкие по свойствам и составу сплавы металлов.

Отличить сплавы позволяет процент углерода в составе: до 2,14 – сталь, больше – чугун.

Характеристики стали

• Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7—7,9 г/см³).
• Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС).
• Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).
• Температура плавления: 1450—1520 °C.
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг).
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C:

• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

• Предел прочности стали при растяжении:

Химический состав сталей, область применения.

Сталь DIN1.3343 — импортная инструментальная быстрорежущая (вольфрамомолибденовая).

Применяется для изготовления ножей работающих в условиях повышенного износа, при высоких температурах. Прекрасно справляется с резкой любых материалов вплоть до металла, сохраняет свои характеристики при нагреве до 500 градусов Цельсия. При закалке достигается твердость не более 63 HRC. Широко применяется для изготовления металлорежущего инструмента (сверла, фрезы, токарные пластины). Обладает повышенной износостойкостью при работе в условиях трения и нагрева. Уступает по своим характеристикам только твердому сплаву.

Сталь DIN1.2379 — импортная инструментальная штамповая.

Применяется для изготовления ножей, работающих в условиях повышенного износа. Сталь обладает хорошим сочетанием прочности и ударной вязкости, что позволяет ей прекрасно справляться с большинством задач по резке материалов в условиях умеренных температур. При закалке достигается твердость не более 62 HRC.

Широко применяется в промышленности, для изготовления вырубных штампов сложной формы (матриц, пуансонов, просечных штампов), работающих с металлами и другими материалами. Обладает отличной износостойкостью при использовании в ножах гильотинного типа, позволяет выполнять резку (рубку) материалов , вплоть до металлов.

Сталь DIN1.1830 — импортная инструментальная углеродистая.

Применяется для изготовления ножей работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки. В основном сталь используется для изготовления ножей работающих в условиях умеренных нагрузок, по материалам, не требующим высокой прочности инструмента (мягкие металлы, дерево, пластик, полиэтилены). Сталь также применяется для изготовления, ножей подверженных упругим нагрузкам ( пружинных пластин и дисков).

При закалке достигается твердость не более 62 HRC. В промышленности сталь используется в изготовлении накатных роликов, плит и стержней для форм литья, калибров простой формы и пониженных классов точности, изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации. Данная сталь незаменима в производствах, где на нож воздействуют упругие нагрузки. Сталь DIN1.4034 — импортная коррозионно-стойкая (нержавеющая) жаропрочная.

Применяется для изготовления ножей работающих в агрессивных средах под воздействием температуры до 450 градусов Цельсия. Может применяться для изготовления пружин, подшипников, рессор работающих в агрессивных средах при нагреве до 450 градусов Цельсия. Широко применяется для изготовления ножей пищевого производства (контактирующих с продуктами питания), хирургического инструмента, предметов химической промышленности. При закалке достигается твердость не более 55 HRC. В промышленности применяется для изготовления режущего, мерительного инструмента, пружин, предметов домашнего обихода, подшипников, деталей компрессоров и других изделий, работающих до температур 400-450 °С. Не заменимая сталь для пищевых производств, и производств с воздействием на ножи окислителей, и температур до 450 градусов Цельсия.

Сталь DIN1.3505 — импортная конструкционная подшипниковая.

Применяется для изготовления ножей работающих в условиях малой нагрузки, с материалами, не требующими от ножа высокой прочности и износостойкости. Данная сталь широко применяется в промышленности для изготовления шариков диаметром до 150 мм, колец подшипников, клапанов и других деталей, от которых требуется высокая твердость и контактная прочность. При закалке достигается твердость 62-55 HRC. Очень часто используется импортными производителями для производства ножей ( дисковых ножей, тарельчатых ножей и контр ножей)по причине простоты обработки и невысокой стоимости (по сравнению со сталями din1.3343 и din1.2379 ). Сталь широко распространена и не отличается выдающимися характеристиками при изготовлении ножей.

Сталь 9ХС — инструментальная легированная.

Применяется для изготовления ножей работающих в условиях малой нагрузки с небольшой производительностью, по материалам, не требующим от ножа износостойкости и качественной работы.

Сталь применяется для изготовления инструмента (сверла, развертки, гребенки) выполняющего обработку мягких материалов, на малой скорости. Сталь не дорога и проста в обработке. При закалке достигается твердость поверхности 59-63 HRC. Широко применяется при производстве ножей для деревообработки простой конфигурации (лущильных, шпоночных, дробящих) выполняющих простые операции с малой точностью.

Сталь DIN1.3243 — Сталь инструментальная быстрорежущая.

Сталь имеет повышенную склонность к обезуглероживанию, хорошую вязкость, повышенное сопротивление износу, хорошую шлифуемость.

Сталь применяется для чернового и получистового инструмента при обработке улучшенных легированных и нержавеющих сталей в условиях повышенного разогрева режущей кромки, а так же для обработки высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного разогрева режущей кромки.

Сталь DIN1.3355 — Сталь инструментальная быстрорежущая.

Сталь имеет пониженную склонность к перегреву при закалке, хорошую вязкость, хорошее сопротивление износу, повышенную шлифуемость.

Из данной стали изготавливают резцы, сверла, фрезы, резьбовые фрезы, долбяки, развертки, зенкеры, метчики, протяжки для обработки конструкционных сталей с прочностью до 1000 МПа, от которых требуется сохранение режущих свойств при нагревании во время работы до 600 °С.

Сталь DIN1.2106 — Сталь инструментальная штамповая.

Применяется для изготовления накатных роликов, волочильных досок и волок, глазков для калибрования металла; матриц и пуансонов вырубных штампов; пуансонов и матриц холодного выдавливания, эксплуатируемых с рабочими давлениями до 1400-1600 мПа.

Сталь DIN1.1525 — Сталь инструментальная углеродистая.

Сталь применяется для инструмента, работающего в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: фрез, зенковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых, накатных роликов, кернеров, отверток, комбинированных плоскогубцев, боковых кусачек.

Сталь DIN1.4125— Сталь коррозионно-стойкая обыкновенная.

Из данной стали изготавливаются втулки, оси, стержни, шариковые и роликовые подшипники в другие детали, к которым предъявляются требования высокой твердости и износостойкости и работающие при температуре до 500 °С или подвергающиеся действию умеренных агрессивных сред.

Сталь 6ХС — Сталь инструментальная штамповая.

Сталь применяется для изготовления пневматических зубил и штампов небольших размеров для холодной штамповки, рубильных ножей.

Сталь DIN1.2550 — Сталь инструментальная штамповая.

Из данной стали изготавливаются ножи для холодной резки металла, резьбонакатные плашки, пуансоны и обжимные матрицы при холодной работе, штампы сложной формы, работающие с повышенными ударными нагрузками.

Сталь DIN1.4310 — Сталь коррозионно-стойкая жаропрочная.

Из стали изготавливается холоднокатаный лист и лента повышенной прочности для различных деталей и конструкций, свариваемых точечной сваркой, а также применяется для изготовления труб и других деталей; сталь аустенитного класса.

Сталь DIN1.1191 — Сталь конструкционная углеродистая качественная.

Из стали изготавливают вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

Сталь DIN1.2235 — Сталь инструментальная легированная.

Сталь применяется для рамных, ленточных, круглых строгальных пил; штемпелей при холодной работе; ножей при холодной резке металла, обрезных матриц и пуасонов при холодной обрезке заусенцев; кернеров.

Технология производства

Получение сплава предусматривает переработку чугуна. При этом ненужные составляющие отжигают, заменяя их элементами-лигатурами.

Процесс проводится на металлургическом комбинате по следующим технологиям:

• Мартеновский способ. Смесью чугуна с рудой загружают мартеновскую печь. Для отжига излишков углерода плавят при 2050°С, вводят лигатуры. Продукт (сталь) разливают по емкостям, отправляют на прокатку. Способ считается устаревшим.
• Кислородно-конвертерный. Сквозь массив чугуна пропускают поток воздуха либо воздушно-кислородной смеси. Цель – быстрее и полнее отжечь содержимое.
• Электроплавка. Сырье плавится при 2210°С. Печь закрыта, поэтому «загрязнение» сплава газами исключено. Метод затратен, применяется для получения элитного продукта.
• Прямой. Для продувки окатышей из железной руды печь нагревают до 1060°С. Используется аммиачно-кислородная смесь плюс угарный газ, образованные при сгорании природного газа.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод, область стали помечена синим
Для получения материала с повышенными характеристиками термообработку продолжают. Способ получения предусматривает закалку, цементацию, азотирование (аккумулирование углерода либо азота на поверхности для увеличения износостойкости), цианирование («накачка» внешнего слоя азотом для ускорения процесса), другие операции.

Способы получения железной руды

Железная руда залегает на разной глубине, поэтому для добычи применяются различные методы.

1. Карьерный способ. Карьерный способ актуален для добычи руды, залегающей на глубине 200–300 м. С помощью экскаваторов руду извлекают из почвы, а затем дробленое сырье грузят и поставляют в специальные комбинаты.
2. Шахтный метод. Шахтный метод актуален для железной руды, которая располагается на глубине до 900 м. Сначала пробивают створ шахты, от которого вдоль пластов разрабатывают штреки. Из шахт измельченное сырье передается с помощью транспортеров. Затем сырье помещают на машины и отправляют на специальные предприятия.
3. Скважинная гидродобыча. Этот способ заключается в бурении скважины до пласта руды. Затем в створ проводят трубы, которые сильным напором воды измельчают руду. У этого способа небольшая эффективность, поэтому он применяется редко. Около 3 % руды добывается скважинной гидродобычей.

Разновидности некоторых сталей

HB — твёрдость по Бринеллю, HRC — твёрдость по Роквеллу.

Плюсы и минусы

Характеристики сплава зависят от состава, способа изготовления. Есть и универсальные свойства.

Достоинства стали:

1. Прочность, твердость.
2. Вязкость, упругость.
3. Возможность механической обработки. Стальные фрагменты легко сгибать, сваривать, резать.
4. Износостойкость, долговечность.
5. Распространенность сырья.
6. Простота, рентабельность производства.
7. Выбор материала с нужными свойствами. Их обеспечивает разнообразие состава и методов обработки.

Плюс ценовая доступность продукции.

Недостатки материала:

1. Массивность.
2. Беззащитность перед коррозией.
3. Склонность к аккумуляции электрического потенциала.

Эти изъяны некритичны, есть способы их нейтрализации.

Формула стали в химии – Формула стали в химии

Сталь имеет широкую сферу применения: от винтов и гвоздей до частей моста. С развитием металлургии было изобретено множество сплавов и марок стали.

Сталь состоит из 2,14% углерода, постоянных примесей и других химических элементов. Хотя, как показывает практика, его концентрация обычно не превышает 1,5%. Доля железа в материале составляет не меньше 45%. Сталь производится путем вторичной переработки белого чугуна различными методами.

Основные преимущества всех типов стали:

• твердость и прочность;
• широкий функционал;
• разнообразие свойств;
• вязкость и упругость;
• легкая механическая обработка;
• высокая износостойкость;
• распространенность сырья;
• экономическая выгода от использования.

Основные недостатки – это отсутствие устойчивости к образованию ржавчины и способность накапливать электричество.

Чугун – наиболее близкий по составу материал. Однако, в сравнении с ним сталь:

• более твердая и прочная;
• имеет более высокую температуру плавления;
• легче подвергается механической обработке;
• имеет более высокую теплопроводность;
• легко подвергается процедуре закалки.

Классификация

Разнообразие составов обусловило необходимость упорядочивания материала. Классификация ведется по нескольким основаниям.

По химическому составу

Самое крупное деление, подразумевает углеродистые и легированные стали.

Углеродистые

Характеристики углеродистых сталей определяет углерод. В зависимости от его количества различают три вида с разной структурой: мало-, средне, высокоуглеродистые – соответственно, до 0,30; 0,30-0,70; 0,70+% углерода.

Углеродистая сталь

Самая известная углеродистая разновидность – черная сталь. Бывает холодно- либо горячекатаной. Виды продукции: фасонная, сортовая, широкополосная, листовая сталь, катанка. Этот сплав обычных кондиций ценится машиностроителями как конструкционный материал номер один.

Легированные

Легированные – стали с элементами, добавленными для получения заданных характеристик.

Классификация базируется на совокупном объеме легирующих добавок (кроме марганца и фосфора). В зависимости от этого различают низко-, средне- либо высоколегированные стали, с, соответственно, до 2,5; 2,5-10; 10+% примесей.

Добавками служат хром, никель, молибден, другие цветные металлы.

Самая известная легированная сталь – нержавейка. По составу это хромистая либо хромо-никелевая смесь (хрома – до 26,9%).

По сфере применения

Свойства стали позволяют выбрать материал для конкретных проектов:

1. Строительные. Рядовые низколегированные сплавы, главное условие для которых – возможность сварки.
2. Инструментальные. Высокоуглеродистый, высоколегированный материал для инструментов. Тепло-, износостойкий, прочный. Различают режущие, штампованные, для метрологического инструментария.
3. Конструкционные. Материал с малым процентом марганца. Находит применение как основа узлов, конструкций.

Металлопрокат из стали
Как разновидность конструкционных рассматриваются специальные стали: кислотоупорные, жаростойкие, жаропрочные.

Другие виды классификации: по структуре, способу производства, содержанию примесей.

Методы производства и разделение по качеству

Для производства углеродистых сталей используются различные технологии, что сказывается на их разделении не только по способу производства, но и по качественным характеристикам. Так, различают:

• высококачественные стальные сплавы;
• качественные углеродистые стали;
• углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.

Классификация углеродистых сталей

Стальные сплавы, обладающие обыкновенным качеством, выплавляются в мартеновских печах, после чего из них формируют слитки больших размеров. К плавильному оборудованию, которое используется для получения таких сталей, относятся также кислородные конвертеры. По сравнению с качественными стальными сплавами, рассматриваемые стали могут иметь большее содержание вредных примесей, что сказывается на стоимости их производства, а также на их характеристиках.

Сформированные и полностью застывшие слитки металла подвергают дальнейшей прокатке, которая может выполняться в горячем или холодном состоянии. Методом горячей прокатки производят фасонные и сортовые изделия, толстолистовой и тонколистовой металл, металлические полосы большой ширины. При помощи прокатки, выполняемой в холодном состоянии, получают тонколистовой металл.

Читать также: Переделка блока питания компьютера на 12 вольт

На современных предприятиях для производства высококачественных сплавов используются электрические дуговые печи

Для производства углеродистых сталей качественной и высококачественной категорий могут использоваться как конвертеры и мартеновские печи, так и более современное оборудование – плавильные печи, работающие на электричестве. К химическому составу таких сталей, наличию в их структуре вредных и неметаллических примесей соответствующий ГОСТ предъявляет очень жесткие требования. Например, в сталях, которые относятся к категории высококачественных, должно содержаться не более 0,04% серы и не больше 0,035% фосфора. Качественные и высококачественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу их производства и к характеристикам отличаются повышенной чистотой структуры.

Маркировка

Состав, способ производства обусловили маркировку сталей.

Материал делится на три группы:

• Группа А включает семь марок стали – от Ст 0 до Ст 6. Чем больше цифра, тем лучше.
• Группа Б – марки от БСт0 до БСт 6. Увеличение нумерации означает повышение планки прочности, текучести.
• Группа В маркируется как ВСт.

В группе А регламентируются механические характеристики, у группы Б в приоритете состав, для сегмента В важны обе шкалы.