Классификация марок стали и их расшифровка, способы нанесения маркировки на металл

Существует несколько способов классификации сталей, например: по химическому составу, по назначению, по качеству, по способу раскисления и т.д. В России, США, Европе, Японии и Китае используются различные способы маркировки сталей. К примеру, одна и та же пружинная сталь 60C2ГA (маркировка по ГОСТ) по китайскому стандарту GB будет иметь обозначение 60Si2MnA, а по американскому USA ASTM — 9260.

Знать, как расшифровывается та или иная марка стали необходимо специалистам, работающим в сфере металлообработки, чтобы правильно выбрать наиболее подходящий материал для изготовления различных изделий.

В настоящее время существует более 1000 марок сталей, не считая тех, которые создаются для удовлетворения индивидуальных потребностей. Нет необходимости запоминать все существующие марки стали — это справочная информация (для этого существуют специальные таблицы), однако специалистам, чья деятельность так или иначе связана с металлообработкой, нужно уметь разбираться в основных понятиях и методах классификации сталей. По буквенно-цифровому обозначению можно определить состав и свойства той или иной марки стали, подобрать сталь для решения конкретных задач.

В естественной среде железо вступает в реакцию с окислителями, реагирует на галогены, фосфор и серу. Для очищения железа и дальнейшего производства стал из руды сначала выплавляют чугун, из которого уже частично удалены оксиды и примеси. Содержание углерода в чугуне составляет не менее 2,14%. Чтобы получить сталь, концентрацию углерода необходимо уменьшить, а для придания особых свойств — добавить легирующие элементы.

Само по себе железо в чистом виде обладает малой механической прочностью и сильно подвержено коррозии, поэтому необходимо вводить в состав сплава дополнительные вещества, которые позволяют улучшить механические свойства и эксплуатационные характеристики металла.

По химическому составу сталь делят на углеродистую (ее также называют нелегированной), и легированную.

Углеродистая сталь

Углеродистые — стали, которые по химическому составу не отличаются от чугуна, в них содержится два основных элемента: железо и углерод. В углеродистых сортах стали содержится лишь незначительное количество дополнительных компонентов (кремний и марганец — до 1%, сера — не более 0,05%, фосфор — до 0,06%). Такие сплавы обладают хорошей пластичностью. Углеродная составляющая укрепляет структуру сплава на молекулярном уровне. Чем выше содержание углерода, тем выше стойкость к механическим нагрузкам. Снижение концентрации углерода придает металлу пластичность и возможность выпускать из него изделия повышенной точности. По большому счету, от чугуна такие сплавы отличаются лишь концентрацией углерода. По содержанию в сплаве углеродных соединений различают три группы углеродистых сталей:

• Высокоуглеродистая — содержание углерода 0,6-2%
• Среднеуглеродистая — 0,25-0,55%
• Низкоуглеродистая — до 0,25% углерода

Для производства углеродистой стали используют мартеновские печи, конвекционные и электрические плавильные установки. Углеродистая сталь имеет широкую сферу применения, ее используют при производстве металлопроката, для изготовления инструментов, элементов трубопроводов и т.п.

Легированные стали

Для придания стали специальных свойств (жаропрочность, стойкость к коррозии и т.п.) в ее состав вводят различные добавки (легирующие элементы). Процесс добавления в состав сплава примесей для улучшения физических/химических свойств называют легированием. По соотношению легирующих элементов марки стали разделяют на:

• низколегированные — до 2,5% легирующих элементов
• среднелегированные — от 2,5 до 10%
• высоколегированные — от 10 до 50%

Содержание углерода в сплаве не влияет на степень легирования. Если доля марганца (Mn) превышает 1%, а кремния (Si) 0,5%, они также признаются легирующими добавками.

Для легирования стали применяются около 50 элементов. Наиболее широко используются: Mn и Si (постоянные примеси), Cr, Ni, W, Mo, V, Co, Ti. Часто сталь легируют сразу несколькими элементами — такое легирование называется комплексным.

Легированные стали отличаются особым обозначением, поскольку в них присутствуют легирующие элементы. В марке стали отражено наличие и процентное содержание легирующих добавок. Для удобства расшифровки каждому элементу соответствует определенная буква:

• Марганец (Mn) — Г
• Кобальт (Co) — К
• Хром (Cr) — Х
• Никель (Ni) — Н
• Медь (Cu) — Д
• Вольфрам (W) — В
• Молибден (Mo) — М
• Титан (Ti) — Т
• Алюминий (Al) — Ю и т.д.

Рядом с буквой может находиться цифра, соответствующая его содержанию в процентах. Если за буквой цифры нет, то добавка присутствует в сплаве в незначительном количестве (менее 1-1,5%).

Каждый легирующий элемент оказывает особое влияние на характеристики стали, придает сплаву определенные свойства и качества. К примеру, марганец повышает твёрдость и прочность стали, улучшает прокаливаемость, повышает антикоррозийные свойства, улучшает свариваемость и т.д. Алюминий повышает жаростойкость и снижает образование окалины. Присутствие кобальта повышает жаропрочность, ударопрочность, повышает магнитные свойства металла.

Практически всей марки стали являются конструкционным материалом в широком смысле слова. Это стали для строительных сооружений, кузовных деталей, несущих элементов и т.п. Сплавы со сходными химическими свойствами и эксплуатационными характеристиками также принято разделять на группы, указывающие на их назначение и условия применения.

По назначению стали классифицируются на:

• конструкционные,
• инструментальные
• стали с особыми физическими и химическими свойствами (стали особого назначения).

Такие материалы подвергаются испытаниям на соответствие заявленным параметрам: на устойчивость к ударным нагрузкам, кислотам, экстремальным температурным режимам, износостойкость и т.п.

Наибольшее распространение получили конструкционные стали обыкновенного качества, которые используются и в строительстве, и в машиностроении. Стали, не содержащие легирующих элементов, маркируются буквенным обозначением «Ст». По цифре, которая следует после букв «Ст», можно определить количество углерода в сплаве (содержание углерода указывается в десятых долях процента). Далее могут следовать дополнительные буквенные обозначения, которые указывают на особые свойства данной стали этой марки.

В группу конструкционных входят марки стали, способные выдерживать значительные механические нагрузки (изгибающие, ударные, растягивающие). Это стали, стойкие к усталости, которые не трескаются и не стираются под воздействием различных негативных факторов. Конструкционные стали по составу могут быть углеродистыми и легированными. Все конструкционные стали также принято делить на подгруппы: строительные, для холодной штамповки, высокопрочные и т.д.

В маркировке конструкционных сталей можно встретить такие обозначения:

• С — Строительная сталь, обозначается буквой «С»
• Ш — Подшипниковая сталь. После буквы «Ш» цифрами указывают содержание легирующих добавок
• А — Автоматные стали, которые используют для изготовления неответственных деталей

К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные марки. Главное требование к строительным сталям — хорошая свариваемость. К популярным маркам строительных сталей можно отнести: С255, С345Т, С390К, С440Д.

Шарикоподшипниковые стали обычно характеризуются высоким содержанием углерода и присутствием в составе хрома (ШХ9, ШХ15). К автоматным сталям относятся стали, которые хорошо обрабатываются резанием. Это марки А12, А20, АС40, А40Г, АС11 и др.

Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали. В их маркировке можно встретить такие обозначения:

• У — Инструментальная нелегированная сталь
• Р — Быстрорежущая сталь

Содержание углерода в инструментальных сталях составляет 0,65-1,32% (марки У7, У7А, У13, У13А). Быстрорежущие марки (Р9, Р18, Р6М5, Р9Ф5 и др.) применяют для изготовления режущего инструмента, им не страшен нагрев до +650°С.

Инструментальные стали применяют для изготовления самого разного инструмента:

• монтажного и кузнечно-слесарного — топоры, напильники, пилы и т.п.
• режущего инструмента для металлообработки — резцы, сверла, фрезы, метчики для нарезания резьбы и т.п.
• измерительного — штангенциркули, пробки, калибры и т.д.
• штампов холодного и горячего деформирования — матрицы, пуансоны, молотовые штампы

Общее требование к инструментальным сталям — твердость и износостойкость. Режущий инструмент должен сохранять твердость при повышенных температурах (теплостойкость), мерительный инструмент должен обладать стабильностью размеров во времени. Повышенная износостойкость инструментальной стали достигается за счет применения методов поверхностной химико-термической обработки.

К сталям с особыми физическими и химическими свойствами (стали особого назначения) можно отнести стали, способные выдерживать значительные физические или химические воздействия. К особенным свойствам сталей относится: магнитность/немагнитность, кислотостойкость, жаростойкость, жаропрочность:

• Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали — легированные стали с содержанием хрома не менее 12% (12X13, 20X13, 15X28, 40X13 и т.д.)
• Жаропрочные стали (15ХМ, 12Х18Н9Т, 12Х1МФ, 20X13, 25Х2М1Ф и т.д.)
• Магнитные стали — обозначаются буквой Е: ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5 и др.
• Кислотостойкие (08Х18Н10, 12Х18Н10Т и др.)
• Стали с особыми электрическими свойствами

В процессе выплавки стали в сплаве остается достаточно большое количество кислорода в виде окислов. Присутствие кислорода приводит к образованию газовых пузырьков, что резко ухудшает механические свойства стали. Чтобы минимизировать содержание кислорода и восстановить железо из окислов, на металлургических комбинатах применяют реакцию раскисления — в жидкий металл добавляют специальные вещества-раскислители. Это соединения, более активные по взаимодействию с кислородом, чем железо.

Исходный материал для производства железоуглеродистых сплавов — руда (окислы FeO, Fe2O3, Fe3O4). Основной способ очищения железа от примесей — это восстановление из окислов с помощью углерода:

FeO + С = Fe + CO

Обильное выделение монооксида углерода (CO) создает эффект кипения ванны. В процессе выплавки газы не успевает отойти полностью, поэтому в затвердевшем слитке присутствуют газовые пузыри. Чтобы получить более плотную структуру стали, на окончательной стадии плавки в сплав вводят раскислители (вещества, имеющие к кислороду большее химическое сродство, чем основной металл). Основными раскислительными добавками служат Mn, Al, Si и Ti. При их использовании продукты раскисления всплывают в виде шлака на поверхность, увлекая за собой монооксид углерода и другие газы.

В зависимости от количества используемых раскислителей и продолжительности реакции выделяют 3 вида конечного сплава:

Кипящая сталь — содержание кремния не превышает 0,07%, получается при неполном раскислении сплава железа марганцем. Кипящая сталь характеризуется выраженной неравномерностью распределения нежелательных примесей в структуре проката. Возможно присутствие кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне проката.

Спокойная сталь — содержит минимальное количество вредных примесей и шлаков. Спокойная сталь является более раскисленной в сравнении с полуспокойной и кипящей сталью. Спокойная сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.

Полуспокойная сталь — прокат, получаемый при частичном раскислении металла. Полуспокойная сталь затвердевает без кипения, но с достаточным выделением газов. Полуспокойная сталь имеет в своем составе меньшее количество пузырьков, чем кипящая сталь.

В конце маркировки стали можно встретить буквы, которые отражают степень раскисления (Ст3кп, Ст2сп, 10пс, Ст4пс и т.п.):

• кп — кипящая сталь
• пс — полуспокойная сталь
• сп — спокойная сталь

Внутреннее строение сплава (его структура) может существенно меняться в зависимости от условий термической обработки (отжиг, закалка, отпуск и т.д.) и механических воздействий (ковка, прокатка и т.д.). Каждый металл состоит из мелких частиц — зерен. Зерна металла можно наблюдать на его изломе. Форма и размер зерен зависят от состава и соотношения легирующих добавок, технологии производства. В литом металле зерна обычно крупнее, в кованом они значительно мельче. В процессе ковки зерна обычно вытягиваются и сужаются.

Основу зерен стали составляет кристаллическая решетка железа, в которую входят атомы углерода и примесей. Углерод в кристаллической решетке может образовывать твердые растворы, а также создавать с железом различные химические соединения.

Изменение структуры зерна при изменениях температуры называется фазами. Каждая фаза существует в определенных температурных границах, изменить которые можно с помощью введения в состав сплава легирующих добавок. Выделяют следующие основные фазы состояния металла в твердом виде:

• Аустенит — структура, при которой атомы углерода располагаются внутри кристаллической решетки железа. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур;
• Феррит — фазовая составляющая сплавов железа с углеродом, представляющая собой твердый раствор углерода и легирующих элементов в железе;
• Мартенсит — микроструктура игольчатого вида, которая образуется в результате быстрого охлаждения (закалки) аустенита;
• Бейнит — структура, которая образуется в результате так называемого промежуточного превращения высокотемпературного аустенита при быстром охлаждении до 200-500 градусов;
• Перлит — механическая смесь феррита и цементита, которая образуется из аустенита при медленном его охлаждении.

Структура стали может быть однородной и неоднородной, в этом случае сталь разделяют на двухфазную и многофазную. К примеру, структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного перлита, при большем содержании углерода — из перлита и цементита, при меньшем — из перлита и феррита.

В пределах одной марки сталь отличается качеством, которое зависит от технологии производства и качества исходного сырья. На качество стали негативное влияние оказывают примеси, которые остаются в сплаве при восстановлении железа из руды. Заметно ухудшают качество стали фосфор и сера — чем меньше их в составе стали, тем выше ее качество.

По содержанию серы и фосфора стали классифицируют на сталь обыкновенного качества и высококачественную (в конце обозначения это указано буквой А).

В зависимости от содержания данных примесей стали подразделяют на:

• стали обыкновенного качества (конструкционные, строительные марки) — менее 0,06% серы, менее 0,07% фосфора
• качественные конструкционные — менее 0,04% серы, до 0,035% фосфора
• высококачественные — менее 0,025% серы и фосфора
• особо высококачественные — до 0,015% серы, менее 0,025% фосфора

Стали высокого качества применяют для изготовления особо ответственных изделий из углеродистых сталей.

Свойства готовой стали во многом зависят от технологии изготовления. Традиционный способ переплавки чугуна и металлического лома предполагает использование мартеновских печей, основными недостатками которых были длительность процесса и вредные выбросы в атмосферу нежелательных продуктов. Со временем устаревшие мартены заменялись кислородными конвертерами и электрическими печами. Высококачественные легированные стали получают по технологии электрошлаковой переплавки.

Классификация сталей по способу производства дает необходимую, но лишь предварительную их оценку. К одному большому классу сталей, получаемых в одинаковых условиях, относятся марки разного назначения, от которых требуются разные свойства. Так, к классу высококачественных сталей относятся такие разные по свойствам стали, как основная масса машиностроительных, нержавеющие, магнитные стали, инструментальные и т. д.

Иногда в марке стали отражают способ выплавки и рафинирования сплава, добавляя в конце марки буквы, обозначающие:

• Ш — рафинирование синтетическим шлаком
• ВД — вакуумно-дуговой переплав;
• ЭШ — электрошлаковый переплав
• ВИ — выплавка в вакуумно-индукционных печах.

Для идентификации металлопроката на складах используется маркировка специальной несмываемой краской, независимо от группы стали и степени раскисления:

• сталь марок Ст0, ВСт0, БСт0 маркируется красным и зеленым цветом;
• для обозначения марок Ст1, ВСт1кп используют желтую и черную краску;
• Ст2, ВСт2кп маркируются желтой краской;
• для сталей марок СтЗ, ВСтЗкп, ВСтЗ, БСтЗкп, БСтЗ используют красную краску;
• прокат марок Ст4, ВСт4кп, ВСт4, БСт4кп, БСт4 маркируются черной краской;
• зеленой обозначают марки Ст5, ВСт5;
• синим цветом — Ст6;
• белым цветом обозначают углеродистую качественную сталь 08, 10, 15, 20;
• белым с желтым маркируют сталь марок 25, 30, 35, 40;
• для стали 45, 50, 55, 60 используют белый с коричневым

Различить визуально одну марку металла от другой практически невозможно. Чтобы было удобнее отслеживать партии металла и работать с заказчиками, металл маркируют. Присвоение изделию специальной метки позволяет сопроводить продукцию самой важной информацией (наименование, марка, производитель, серийный номер, дата выработки, код, каталожный номер и др.).

Существует несколько способов маркировки металла — их выбор зависит от самого материала и способа производства, а также условий хранения и эксплуатации. Маркировать продукцию можно ручным, автоматическим или полуавтоматическим способом. Рассмотрим наиболее популярные.

Лазерное нанесение изображений — самый универсальный способ маркировки металлических и неметаллических деталей. С помощью лазерной установки можно наносить как тонкие надписи с выжиганием лишь пленки, так и объемные изображения и логотипы, с более глубоким проникновением луча в структуру металла. Глубина маркировки зависит от мощности установки и количества проходов лазерного луча.

Технология нанесения изображений и различной текстовой информации с помощью лазера позволяет достигать самого высокого качества рисунка. Маркировочная установка может быть стационарной, однако все чаще применяются портативные устройства для лазерной маркировки металла.

Популярный на производствах вид механической маркировки посредством нанесения на верхний слой металла изображения режущим инструментом — вращающейся фрезой. Данный метод позволяет нанести на металлическую поверхность текстовую информацию, объемные рисунки, логотипы и т.п. Фрезерную маркировку металлических изделий используют только для деталей, имеющих толстые стенки.

Для нанесения маркировки используют фрезы с твердосплавными пластинами — с их помощью наносят изображения высокого качества даже на стали повышенной твердости. К минусам метода можно отнести трудоемкость процесса и наличие отходов (часть металла превращается в стружку).

Суть метода заключается в нанесении на металлическую поверхность изображений при помощи специального ударного маркиратора — небольшого станка с инструментом точечного воздействия. Ударно-точечный маркиратор может быть стационарным или портативным, он подходит для нанесения информации на изделиях из мягких металлов. С каждым ударом на поверхности образуется вмятина, совокупность которых формирует полноценное изображение.

Ударно-точечная (иглоударная) маркировка подходит для предприятий со средне- и мелкосерийным выпуском продукции. Такую маркировку можно наносить и вручную, при помощи виброкарандаша.

Данная технология предполагает нанесение текстовой информации и изображений на ровную поверхность металла при помощи электрического тока и кислоты. На поверхность устанавливается диэлектрический трафарет. Электрод электрохимического маркиратора проходит через смоченный в электролите материал, оставляя вытравленный след на ровной металлической поверхности.

Границы нанесенного данным способом изображения получаются в некоторой степени размытыми, поэтому логотип и детали на нем должны быть достаточно крупными.

Электрохимическим способом наносится простая и сложная маркировка. При этом можно наносить два вида маркировки в зависимости от типа тока: белую — при постоянном токе и черную — при переменном.

Электроискровой метод нанесения маркировки используется для нанесения на поверхность металлических изделий нестираемой информации. Этот метод заключается в воздействии высокого электрического тока на металлическую поверхность, в результате чего на ней остается характерный след. Главный плюс метода в том, что для нанесения маркировки на изделия не применяется никаких расходных материалов.

Существуют специальные станки для электроискровой маркировки, у которых имеется рабочая головка, способная вибрировать во время выполнения операции. На рабочую маркировочную головку подается напряжение, она подводится к детали, и в результате искрообразования на поверхности появляется след. Чем дольше воздействие на деталь, тем глубже выполняется маркировка.

Для данного метода используется специальный каплеструйный принтер-маркиратор. Технология напоминает струйную печать на бумаге, только изображение наносится на металл. С помощью портативного маркиратора, который умещается в руке оператора, можно наносить различные изображения и буквенно-цифровые символы на металлические изделия плоской или цилиндрической формы. Каплеструйный метод маркировки позволяет наносить цветную маркировку с применением пигментов любого оттенка.

Для промышленной гравировки большого потока изделий применяют стационарные каплеструйные принтеры. Промышленная маркировка отличается высокой производительностью и скоростью нанесения, поэтому может применяться на конвейере без остановки технологического процесса.

На плоские металлические поверхности маркировку также можно нанести методом шелкографии. Суть метода заключается в наложении дополнительного слоя. Шелкография может быть как одноцветной, так и цветной. С помощью шелкографии можно создать самые яркие и многоцветные изображения. Этот способ позволяет запечатывать как ровные, так и выпуклые металлические поверхности.