Типы сталей и их горячее цинкование

Металлургическая промышленность в состоянии производить стали самого разнообразного состава, все их условно по типам примесей можно разделить на шесть типов по характеру основной примеси, которая и определяет основное назначение стали. Основными примесями являются углерод, фосфор, сера, кремний, марганец, а также совокупность примесей ряда тугоплавких металлов, включающих хром, никель и некоторые другие.

Вот эти шесть типов:

1. Углеродистые стали, то есть стали, основным легирующим элементом в которых является углерод - это стали с содержанием углерода менее 2,14%. Его наличие не исключает существования в сталях некоторых элементов в даже больших количествах (марганец, кремний), но эти элементы играют в данном случае скорее подчиненную роль – при некоторой концентрации улучшая механические и некоторые другие свойства, в других случаях несколько ухудшая их.
2. Стали с высоким содержанием кремния. Элемент кремний в концентрации до 0,4% является полезным элементом, потому что он влияет на  качество сталей (в основном, на их прочностные свойства). Но есть стали и с более высоким его содержанием - до 2%. Это так называемые пружинные стали, используемые для изготовления рессор и пружин.
3. Стали с высоким содержанием марганца (свыше 1%). Это так называемые «вязкие» стали. Обычное содержание марганца в «углеродистых» сталях составляет 0,4-0,6%, но данные стали с повышенным содержанием марганца имеют свой ареал использования.
4. Автоматные стали – эти стали содержат высокий процент серы. Сера в стали является вредным элементом, потому что приводит к повышению хрупкости при повышенных температурах, но ее содержание порядка 0,2% улучшает  обработку сталей на фрезерных станках, поэтому такие стали используются для изготовления крепежных материалов неответственного назначения.
5. Электрические стали, содержащие высокий уровень фосфора. Эти стали имеют низкий коэффициент термического расширения или особые магнитные свойства, поэтому используются в электротехнической промышленности.
6. Нержавеющие стали. Как правило, содержат высокий уровень никеля и хрома. Используются в качестве материалов, используемых в сильно коррозионной среде.

Углеродистая сталь

Основными материалами, выпускаемыми металлургической промышленностью, являются углеродистые стали. В зависимости от содержания углерода стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтектоидные стали, в свою очередь, в зависимости от содержания углерода делятся на  три  типа: низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые (более 0,65%). Последние являются инструментальными сталями, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочий инструмент. В качестве материалов для цинкования погружением используются только низкоуглеродистые стали. 99% сталей, подвергаемых горячему цинкованию – это низкоуглеродистые стали. Эти стали содержат все указанные выше примесные элементы, в основном, из-за ограничений в технологиях, но в относительно малом количестве, и их доля обусловлена как составом руд, из которых готовятся металлы, так и использованием различных технологических приемов с введением некоторых элементов. Кроме того, имеются и ограничения по концентрации углерода. Условно принято считать, что стали, содержащие менее 0,25% углерода, до 0,4% кремния, менее 0,8% марганца и менее 0,3% суммы хрома и никеля, являются цинкуемыми. При этом фосфор и сера являются вредными примесями, их количество в стали должно быть как можно меньшим, кремний и частично марганец являются полезными элементами, поскольку оба они используются в качестве раскислителей в технологии производства сталей.

Углеродистые стали относятся к группе конструкционных сталей, куда входят также нержавеющие, но последние мы далее рассматривать не будем.

Конструкционные углеродистые стали характеризуются как по химическому составу (по ГОСТ 380), так и по механическим свойствам (ГОСТ 1050). Цели этих ГОСТов разные – для ряда технологий (в том числе для горячего цинкования) важен именно химический состав, в то время как для конструкционных расчетов важно знать механические свойства сталей, а эти характеристики регламентируются именно ГОСТ 1050.

Углеродистые стали также подразделятся по способам раскисления перед разливкой в изложницы. По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

Кипящая сталь

Кипящая сталь наиболее дешевая, так как при ее выплавке расходуется минимальное количество специальных добавок и обеспечивается максимальный выход годного продукта. Пониженное содержание кремния и марганца обусловливает меньшую прочность и большую пластичность, чем у спокойной стали. Недостатками кипящей стали являются развитая ликвация, в головной части слитка неоднородность содержания углерода достигает 400%, серы — 900% от их среднего содержания. В спокойной стали неоднородность содержания углерода лишь на 60%, а по сере на 110% превышает их среднее содержание в стали. Прокат из кипящей стали более неоднороден по химическому составу, чем прокат из спокойной стали. Листы и профили, изготовленные из разных частей слитка, различаются по содержанию углерода, серы и фосфора. Поэтому прокат из кипящей стали характеризуется неоднородностью структуры и механических свойств даже для металла одной плавки. В среднем кипящая сталь содержит около 0,02 % кислорода, что в несколько раз больше, чем у спокойной стали. Хладостойкость кипящей стали понижена, в среднем Т50 у нее на 10–20°С выше по сравнению с Т50 для спокойной стали. Пониженное сопротивление хрупкому разрушению особенно характерно для проката значительной толщины (14–20 мм и более) из кипящей стали.

Спокойная сталь

Спокойная сталь гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящая сталь. Благодаря присутствию в спокойной стали остаточного (кислоторастворимого) алюминия у нее ниже склонность к росту зерна, чем у кипящей стали. Поэтому прочность и хладостойкость более однородного и мелкозернистого проката из спокойной стали выше, чем проката из кипящей стали.

Но при затвердевании спокойной стали в изложницах образуется большая усадочная раковина, для удаления которой прибегают к обрезанию слитка (12–16% по массе). Вследствие этих потерь, а также дополнительных расходов, в том числе на ферросплавы и алюминий для раскисления, спокойная сталь дороже кипящей.

Существует сталь с промежуточной степенью раскисления — полуспокойная. В отличие от кипящей она обрабатывается перед разливкой небольшим количеством раскислителей.

По однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, по сопротивлению хрупкому разрушению и прочностным показателям прокат из полуспокойной стали уступает прокату из спокойной стали и занимает между ним и прокатом из кипящей стали промежуточное положение.

Основным преимуществом кипящей стали является высокий (более 95 %) выход годного. У полуспокойной стали, раскисляемой марганцем и в ковше кремнием, выход годного составляет около 90%.

Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного у слитков спокойной стали около 85%, но металл значительно более плотен и имеет более однородный химический состав.

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора - стали подразделяют на:

• стали обыкновенного качества, содержание до 0.05% серы и до 0,04% фосфора;
• качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно, они менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. В особо ответственных случаях эти стали содержат менее 0,02% S и 0,03% Р. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах. Качественные стали являются более предпочтительными для изготовления изделий, эксплуатируемых при низких температурах, в частности, в условиях Севера и Сибири.
• высококачественные - до 0,025% серы и фосфора;
• особовысококачественные - до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

Cтали обыкновенного качества

Cтали обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380–2005. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1, Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры — условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная.

Углеродистые стали обыкновенного качества содержат С ≤ 0,49% и выпускаются трех разновидностей в зависимости от технологии раскисления: кипящие с С ≤ 0,27% (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп и Ст4кп); полуспокойные (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс и Ст6пс); спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп и Ст6сп). К этим сталям относятся также стали Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс с Mn = 0,8–1,10% (в стали Ст5Гпс допускается Mn = 0,8–1,20%). Эти стали имеют повышенную прочность по сравнению с прочностью сталей Ст3пс, Ст3сп и Ст5пс. В стали Ст0 ограничивают только содержание углерода (не более 0,23%), серы, фосфора, не предъявляют  специальных требований к технологии ее выплавки, нормируют только временное сопротивление (σ_в ≥ 300 МПа).

Таблица 5.1. Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-2005

В сталях обыкновенного качества нормируют содержание примесей на более высоком уровне, чем у сталей других групп: S ≤ 0,05%, P ≤ 0,04%, As ≤ 0,08%. В сталях, выплавленных на керченской руде, допускается As ≤ 0,15%, N ≤  0,010%; в сталях,  выплавленных в дуговых печах, N ≤ 0,012%. 

У горячекатаных сталей скорость охлаждения уменьшается при увеличении диаметра (толщины) проката от 10 до 100 мм. Уменьшение скорости охлаждения приводит к образованию более грубых ферритно-перлитных структур и уменьшению σ_т и δ.

Качественные углеродистые стали

Качественные углеродистые стали выплавляются в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050–88. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы — не более 0,04%, фосфора — не более 0,035%). Для стали марок 11кп и 18кп, применяемой для плакирования, содержание серы и фосфора должно быть не более 0,035 %.

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 10, 15, ..., 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,3–0,5 %С) и высокоуглеродистые конструкционные (до 0,65% С).

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7–1,3% С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

• Цинкование электролитическим способом
• Процесс Полигальва (Polygalva)
• Литейная сталь и чугуны
• Горячее оцинкование
• Термодиффузионное цинкование в смесях на основе гартцинка