Что делают из углеродистой стали?

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь отличается содержанием углерода до 2,14% без наличия легирующих элементов, небольшим количеством примесей в составе, и небольшим содержанием магния, кремния и марганца. Это в свою очередь влияет на свойства и особенность применения. Она является основным видом продукции металлургической промышленности.

Состав

В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.

Высокая прочность и твёрдость — вот что характеризует углеродистую сталь.

Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.

Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:

• водороду;
• азоту;
• кислороду;
• кремнию;
• марганцу;
• фосфору;
• сере.

Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.

Характеристика

Характеристики и структуру металла меняют, используя термическую обработку, посредством которой, достигают нужной твердости поверхности или других требований для применения стальной конструкции. Однако, не все структурные свойства поддаются корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным характеристикам относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига. Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов в различных сферах машиностроения.

В случаях, когда расчет прочности узла требует применения деталей малых размеров, способных выдержать требуемую нагрузку, применяют термическую обработку. Такое воздействие на «сырую» сталь позволяет увеличить жесткость материала в 2-3 раза. К металлу, который подвергают такому процессу, предъявляют требования по количеству углерода и других примесей. Называют эту сталь – повышенного качества.

Классификация углеродистых сталей

По направленности применения продукции, углеродистую сталь разделяют на инструментальную и конструкционную.

Последнюю из них используют для возведения различных строений и остовов деталей. Из инструментальных, изготавливают прочный инструмент для выполнения любых работ, вплоть до обработки металлов резанием. Применение металлических изделий в хозяйстве, потребовало выделить сталь в разные категории, обладающие специфическими свойствами: жаропрочную, криогенную и коррозионно-стойкую.

По способу получения углеродистые стали делят на:

• электростали;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.

Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:

• кипящие;
• полуспокойные;
• спокойные.

Содержание углерода делит сталь на 3 категории:

1. заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
2. эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
3. доэвтектоидные – менее 0,8 %.

Именно структура, является характерным признаком, при определении состояния металла. У доэвтектоидных сталей, структура состоит из перлита и феррита. У эвтектоидных – чистый перлит, а заэвтектоидные, характеризуются перлитом с примесями вторичного цементита.

При увеличении количества углерода, сталь повышает прочность и уменьшает пластичность. Большое влияние оказывается также на вязкость и хрупкость материала. При повышении процентного содержания углерода, уменьшается ударная вязкость и повышается ломкость материала. Не случайно, при содержании, на уровне более 2,4 %, металлические сплавы относят уже к чугунам.

По количеству углерода, в составе сплава, сталь бывает:

1. низкоуглеродистая (до 0,29 %);
2. среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
3. высокоуглеродистая (более 0,6 %).

Маркировка

При обозначении углеродистых сталей обычного качества, используют буквы Ст, которые сопровождаются цифрами, характеризующими содержание углерода. Одна цифра показывает количество, увеличенное в 10, а две цифры – в 100 раз. При гарантии механического состава сплава, перед обозначением добавляют Б, а соблюдение химических составляющих веществ – В.

В окончании маркировки, две буквы показывают степень раскисления: пс – полуспокойного, кп – кипящего состояния сплавов. Для спокойных металлов этот показатель не указывают. Увеличенное количество марганца в структуре изделия, обозначают буквой Г.

При обозначении углеродистых сталей высокого качества, используемых при изготовлении инструментов, применяют букву У, рядом с которой прописывают число, подтверждающее количество процентов углерода в 10-кратном размере, независимо от того, будет оно двухзначным или однозначным. Для выделения сплавов повышенного качества, к обозначению инструментальных сталей добавляют букву А.

Примеры обозначения углеродистых сталей: У8, У12А, Ст4кп, ВСт3, Ст2Г, БСт5пс.

Производство

Изготовлением металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика процесса получения углеродистой стали, заключается в переработке чугунных заготовок с уменьшением таких взвесей, как сера и фосфор, а также углерод, до требуемой концентрации. Различия методики окисления, посредством которой удаляют углерод, позволяет выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Основой методики был бессемеровский метод, который предусматривает продувку жидкого чугуна воздухом. Во время этого процесса, углерод окислялся и удалялся из сплава, после чего, чугунные слитки постепенно превращаются в сталь. Производительность данной методики высока, но сера и фосфор оставались в металле. Кроме того, углеродистая сталь насыщается газами, в том числе, азотом. Это улучшает прочность, но снижает пластичность, сталь становится более склонной к старению и изобилию неметаллическими элементами.

Учитывая низкое качество стали, получаемой бессемеровским методом, его перестали использовать. На замену пришел кислородно-конвертерный способ, отличием которого является использование чистого кислорода, вместо воздуха, при выполнении продувки жидкого чугуна. Использование определенных технических условий, при продувке, значительно снизило количество азота и других вредных примесей. В результате, углеродистая сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, по качеству приближена к сплавам, переплавляемым в мартеновских печах.

Технико-экономические показатели конверторного способа подтверждают целесообразность такой плавки и позволяют вытеснить устаревшие методы изготовления стали.

Мартеновский метод

Особенностью способа получения углеродистой стали, является выжигание углерода из чугунных сплавов не только с помощью воздуха, но и за счет добавления железных руд и ржавых изделий из металла. Этот процесс обычно происходит внутри печей, к которым подводят подогретый воздух и горючий газ.

Размер таких плавильных ванн очень велик, они могут вмещать до 500 тонн расплавленного металла. Температура в таких емкостях поддерживается на уровне 1700 ºC, а выжигание углерода происходит в несколько этапов. Сначала, благодаря избытку кислорода в горючих газах, а когда образуется шлак над расплавленным металлом, посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые, в дальнейшем удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства.

Плавка стали в мартеновских печах проходит около 7 часов. Это позволяет отрегулировать нужный состав сплава, при добавлении различных руд или лома. Углеродистая сталь давно изготавливается этим методом. Такие печи, в наше время, можно найти на территории стран бывшего Советского Союза, а также – в Индии.

Электротермический способ

Изготовить качественную сталь с минимальным содержанием вредных примесей, удается при плавке в вакуумных топках электродуговых или индукционных печей. Благодаря улучшенным свойствам электростали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Процесс преобразования сырья в углеродистую сталь, происходит в вакууме, благодаря чему качество полученных заготовок, будет выше, относительно рассмотренных ранее методов.

Стоимость такой обработки металлов дороже, поэтому данный метод используют при технологической необходимости в качественном изделии. Для удешевления технологического процесса используют специальный ковш, который разогревают внутри вакуумной емкости.

Применение

Углеродистая сталь, благодаря своим свойствам, нашла широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, особенно, в машиностроении. Использование в конструкторских расчетах способности металла сопротивляться нагрузкам и иметь высокие пределы усталости, позволяет изготавливать из углеродистой стали такие ответственные детали машин, как: маховики, зубчатые передачи редукторов, корпуса шатунов, коленчатые валы, поршни плунжерных насосов, технологическую оснастку для деревообрабатывающей и легкой промышленности.

Высокоуглеродистые стали с увеличенным количеством марганца, применяют для изготовления таких деталей, как пружины, рессоры, торсионы и подобные узлы, требующие упругости сплава. Инструментальные сплавы повышенного качества, широко применяют при производстве инструментов, которыми обрабатывают металлы: резцы, сверла, зенковки.

Использование углеродистой стали с низким и средним количеством содержания углерода, нашло применение при возведении металлических конструкций и коммуникаций. Специальные прокатные станы металлургических комбинатов изготавливают, постоянно пользующиеся спросом, различные профили:

• уголки;
• швеллеры;
• трубы;
• двутавры;
• другие, в том числе заказные, виды профилей.

Во всех отраслях широко используется листовой прокат, который отличается размерами, качеством и толщиной изготавливаемых изделий.

Используя специфические свойства углеродистых сталей, их применяют в различных областях народного хозяйства. Знание специфики отличий тех или иных сплавов, позволит грамотно и технологично применить требуемый материал в нужном месте.

Сталь углеродистая: состав, классификация, ГОСТ

Углеродистая сталь благодаря доступной стоимости и высоким прочностным характеристикам относится к широко распространенным сплавам. Из таких сталей, состоящих из железа и углерода и минимума других примесей, изготавливают различную машиностроительную продукцию, детали колов и трубопроводов, инструменты. Широкое применение эти сплавы находят и в строительной сфере.

Калиброванный круг из углеродистой стали чаще всего используется в судостроении и машиностроении

Что собой представляют углеродистые стали

Углеродистые стали, которые в зависимости от основной сферы применения подразделяются на конструкционные и инструментальные, практически не содержат в своем составе легирующих добавок. От обычных стальных сплавов эти стали также отличает и то, что в их составе содержится значительно меньшее количество таких базовых примесей, как марганец, магний и кремний.

Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Так, высокоуглеродистая сталь содержит в своем составе 0,6–2% углерода, среднеуглеродистые стали – 0,3–0,6%, низкоуглеродистые – до 0,25%. Данный элемент определяет не только свойства углеродистых сталей, но и их структуру. Так, внутренняя структура стальных сплавов, содержащих в своем составе менее 0,8% углерода, состоит преимущественно из феррита и перлита, при увеличении концентрации углерода начинает формироваться вторичный цементит.

Нормы содержания химических элементов в углеродистых сталях

Углеродистые стали с преобладающей ферритной структурой отличаются высокой пластичностью и низкой прочностью. Если же в структуре стали преобладает цементит, то она характеризуется высокой прочностью, но вместе с этим является и очень хрупкой. При увеличении количества углерода до 0,8–1% прочностные характеристики и твердость углеродистой стали возрастают, но значительно ухудшаются ее пластичность и вязкость.

Количественное содержание углерода также оказывает серьезное влияние на технологические характеристики металла, в частности на его свариваемость, легкость обработки давлением и резанием. Из сталей, относящихся к категории низкоуглеродистых, изготавливают детали и конструкции, которые не будут подвергаться значительным нагрузкам в процессе эксплуатации. Характеристики, которыми обладают среднеуглеродистые стали, делают их основным конструкционным материалом, используемым в производстве конструкций и деталей для нужд общего и транспортного машиностроения. Высокоуглеродистые стальные сплавы благодаря своим характеристикам оптимально подходят для изготовления деталей, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости, для производства ударно-штампового и измерительного инструмента.

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества

Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси: кремний, марганец, фосфор, серу, азот, кислород и водород. Часть этих примесей, такие как марганец и кремний, являются полезными, их вводят в состав стали на стадии ее выплавки для того, чтобы обеспечить ее раскисление. Сера и фосфор – это вредные примеси, которые ухудшают качественные характеристики стального сплава.

Хотя считается, что углеродистые и легированные стали несовместимы, для улучшения их физико-механических и технологических характеристик может выполняться микролегирование. Для этого в углеродистую сталь вводятся различные добавки: бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы. Конечно, при помощи таких добавок не получится сделать из углеродистой стали нержавейку, но заметно улучшить свойства металла они вполне могут.

Классификация по степени раскисления

На разделение углеродистых сталей на различные типы оказывает влияние в том числе такой параметр, как степень раскисления. В зависимости от данного параметра углеродистые стальные сплавы делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Более однородной внутренней структурой отличаются спокойные стали, раскисление которых осуществляют, добавляя в расплавленный металл ферросилиций, ферромарганец и алюминий. За счет того, что сплавы данной категории были полностью раскислены в печи, в их составе не содержится закиси железа. Остаточный алюминий, который препятствует росту зерна, наделяет такие стали мелкозернистой структурой. Сочетание мелкозернистой структуры и практически полное отсутствие растворенных газов позволяет формировать качественный металл, из которого можно изготавливать наиболее ответственные детали и конструкции. Наряду со всеми своими достоинствами углеродистые стальные сплавы спокойной категории имеют и один существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

Более дешевыми, но и менее качественными являются кипящие углеродистые сплавы, при выплавке которых используется минимальное количество специальных добавок. Во внутренней структуре такой стали из-за того, что процесс ее раскисления в печи не был доведен до конца, присутствуют растворенные газы, которые негативно отражаются на характеристиках металла. Так, азот, содержащийся в составе таких сталей, плохо влияет на их свариваемость, провоцируя образование трещин в области сварного шва. Развитая ликвация в структуре этих стальных сплавов приводит к тому, что металлический прокат, который из них изготовлен, имеет неоднородность как по своей структуре, так и по механическим характеристикам.

Промежуточное положение и по своим свойствам, и по степени раскисления занимают полуспокойные стали. Перед заливкой в изложницы в их состав вводят небольшое количество раскислитилей, благодаря чему металл затвердевает практически без кипения, но процесс выделения газов в нем продолжается. В итоге формируется отливка, в структуре которой содержится меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Такие внутренние поры в процессе последующей прокатки металла практически полностью завариваются. Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется в качестве конструкционных материалов.

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к углеродистой стали можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

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.

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.

Область применения

Как уже говорилось выше, углеродистые стальные сплавы по основному назначению делят на две большие категории: инструментальные и конструкционные. Инструментальные стальные сплавы, содержащие 0,65–1,32% углерода, используются в полном соответствии со своим названием – для производства инструмента различного назначения. Для того чтобы улучшить механические свойства инструментов, обращаются к такой технологической операции, как закалка углеродистой стали, которая выполняется без особых сложностей.

Сферы применения углеродистых инструментальных сталей

Конструкционные стальные сплавы применяются в современной промышленности очень широко. Из них делают детали для оборудования различного назначения, элементы конструкций машиностроительного и строительного назначения, крепежные детали и многое другое. В частности, такое популярное изделие, как проволока углеродистая, производится именно из стали конструкционного типа.

Используется проволока углеродистая не только в бытовых целях, для производства крепежа и в строительной сфере, но и для изготовления таких ответственных деталей, как пружины. После выполнения цементации конструкционные углеродистые сплавы можно успешно использовать для производства деталей, которые в процессе эксплуатации подвергаются серьезному поверхностному износу и испытывают значительные динамические нагрузки.

Конечно, углеродистые стальные сплавы не обладают многими свойствами легированных сталей (в частности, той же нержавейки), но их характеристик вполне хватает для того, чтобы обеспечить качество и надежность деталей и конструкций, которые из них изготавливаются.

Особенности маркировки

Маркировка углеродистых сталей, правила составления которой строго оговорены пунктами соответствующего ГОСТа, позволяет узнать не только химический состав представленного сплава, но и то, к какой категории он относится. В обозначении углеродистой стали, обладающей обыкновенным качеством, присутствуют буквы «СТ». Пунктами ГОСТа оговаривается семь условных номеров марок таких сталей (от 0 до 6), которые также указываются в их обозначении. Узнать, какой степени раскисления соответствует та или иная марка, можно по буквам «кп», «пс», «сп», которые проставляются в самом конце маркировки.

Цветовая маркировка наносится по требованию потребителя несмываемой краской

Марки углеродистых сталей по ГОСТу и по международным стандартам ИСО

Марки качественных и высококачественных углеродистых сталей обозначаются просто цифрами, указывающими на содержание в сплаве углерода в сотых долях процента. В конце обозначения некоторых марок можно встретить букву «А». Это значит, что сталь обладает улучшенным металлургическим качеством.

Узнать о том, что перед вами инструментальная сталь, можно по букве «У», стоящей в самом начале ее маркировки. Цифра, следующая за такой буквой, указывает на содержание углерода, но уже в десятых долях процента. Буква «А», если она есть в обозначении инструментальной стали, говорит о том, что данный сплав отличается улучшенными качественными характеристиками.

Что такое углеродистая сталь

Углеродистой называют сталь с содержанием 0,25–2% углерода и минимумом легирующих добавок (марганца, магния, кремния, серы, фосфора). От углерода зависят:

• Структура стального сплава — при содержании менее 0,8% преобладает ферритовая, перлитовая структура, если же углерода больше — формируется вторичный цементит. Для ферритной стали характерен высокий уровень пластичности, недостаточная прочность, для цементитной — высокая прочность и хрупкость. Возрастание концентрации углерода приводит к повышению прочностных характеристик стали с одновременным ухудшением ее пластичности и вязкости.
• Технологические свойства металла — низкоуглеродистую сталь (до 0,25%) с низкой прочностью и малой ударной вязкостью применяют в производстве деталей, конструкций, на которые не предполагается оказание серьезных нагрузок. Среднее содержание углерода в сталях (0,3–0,6%), которые относятся к улучшаемым маркам, позволяет их применять в общем, транспортном машиностроении. Высокоуглеродистый материал (от 0,6 до 2%) подходит для создания изделий с повышенной износоустойчивостью (например, ударно-штамповые, измерительные элементы).

В некоторых случаях повысить физико-механические и технологические характеристики стали позволяет микролегирование, которое представляет собой введение в состав углеродистого стального сплава бора, титана, циркония, редкоземельных элементов. Эти компоненты способствуют заметному улучшению свойств металла.

Какой бывает углеродистая сталь по степени раскисления

В основе классификации этого сплава лежат различные параметры, одним из которых является степень раскисления. Любой способ производства стали сопровождается непрерывным возрастанием кислорода, количество которого зависит преимущественно от концентрации углерода. Во избежание вредного влияния кислорода на металл, проводят процедуру раскисления. С учетом этого параметра углеродистую сталь подразделяют на:

• Спокойную — для таких сплавов характерна более равномерная, однородная структура. Раскисление осуществляют при помощи веществ, лишенных закисей железа (например, алюминий). За счет остаточного алюминия останавливается рост зерна, благодаря чему сталь получает мелкозернистую структуру. В итоге получается качественный материал, полностью лишенный газов, из которого можно производить высокопрочные, износоустойчивые детали, конструкции. К минусам спокойных сталей относится дороговизна их выплавки.
• Кипящую — этот вид отличается более дешевым производством, поскольку во время выплавки используют минимум раскислителей. Внутренняя структура такой стали содержит большое количество растворенных газов — одна из причин снижения качества металла. К примеру, наличие азота мешает осуществлению нормальной сварки углеродистой стали (в районе сварного шва появляется много трещин). За счет развитой ликвации в кипящих сплавах производится прокат с неоднородной структурой и неустойчивыми механическими свойствами.
• Полуспокойную — до момента заливки состав обогащается небольшим количеством раскислителей. После этого происходит затвердение металла без кипения, но газы в нем продолжают выделяться. В отливке из полуспокойной стали газовые пузыри содержатся в меньшем количестве, а последующая прокатка металла позволяет практически полностью избавиться от микропор.

Производственные методы и варианты деления по качеству

Получение углеродистых сталей основано на переработке чугуна и черного лома с уменьшением серы, фосфора и углерода до нужной концентрации. При этом используют различные технологии, которые отражаются на качестве производимого металла. В результате получают стальные сплавы следующих видов:

• высококачественные;
• качественные;
• обыкновенного качества.

Первые два типа углеродистых сталей производят с применением конвертеров, мартеновских и более современных электрических плавильных печей. Химический состав таких сталей, концентрация содержащихся примесей строго регулируется ГОСТами 1435–99 и 1050–88. Так, для качественных стальных сплавов можно использовать серу в количестве не более 0,04%, фосфор — не больше 0,035%, для высококачественных соответственно — менее 0,018 % и не больше 0,025 %. Углеродистые стали этих категорий имеют структуру повышенной чистоты.

Выплавку стальных сплавов обыкновенного качества осуществляют на базе кислородных конвертеров и мартенов, затем из них формируют большие слитки. В сравнении с предыдущими двумя категориями, углеродистые стали, обладающие обыкновенным качеством, характеризуются содержанием большого количества вредных примесей. Согласно ГОСТу 380–2005 серы в них содержится до 0,05%, фосфора — до 0,04%. Такой материал подвергают горячей, холодной прокатке с целью выпуска тонко-, толстолистового материала, широких металлических полос.

В каких сферах используют углеродистую сталь

Благодаря высокой прочности, хорошей обрабатываемости, долговечности и сравнительной дешевизне углеродистые стали нашли свое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Особенно они популярны в машиностроении, что связано со способностью металла сопротивляться активным нагрузкам, а также с высокими пределами усталости. Так, углеродистая сталь выступает в качестве основного материала для производства:

• маховиков;
• зубчатых передач редукторов;
• корпусов шатунов;
• коленчатых валов;
• поршней плунжерных насосов.

Из углеродистых сплавов производят технологическую оснастку для легкой, деревообрабатывающей промышленности. Во всех этих случаях используют конструкционные углеродистые стали. После цементации этот тип металла используется в создании износоустойчивых деталей, эксплуатация которых будет сопровождаться значительными динамическими нагрузками.

На основе низко и среднеуглеродистой стали осуществляют выпуск:

• уголков;
• швеллеров;
• труб;
• двутавров и других профилей

Начальные свойства конструкционных углеродистых сталей подлежат повышению путем проведения термообработки (закалки).

Выпуск инструментов различного назначения базируется на применении инструментальных стальных сплавов, которые содержат 0,65–1,32% углерода:

• молотки, керны, отвертки, зубила, кузнечный инструмент, косы (марка инструментальной углеродистой стали У7 и У7А);
• ножницы, ножи рубильных машин, ручной столярный инструмент, рамные пилы (марка У8, У8А);
• сверла, фрезы малого диаметра, ленточные пилы, развертки (марка У10, У10А);
• токарные резцы по дереву, ножовочные полотна по металлу, напильники, граверный инструмент (марка У12, У13).

Инструментальные углеродистые стали применяют для производства измерительных приборов. Чтобы получить небольшую деталь с точностью линейных размеров в несколько сот миллиметров, нельзя допускать нагрева или деформации заготовки в результате оказываемого давления режущим инструментом.

Востребовано использование углеродистых сталей обыкновенного качества в строительстве, некоторые марки применяются в машино-, судостроении.

Как маркируется углеродистая сталь

Маркировку осуществляют в соответствии с ГОСТом. С ее помощью можно узнать химический состав и категорию сплава. Материал обыкновенного качества обозначают буквами «СТ»,а также цифрами — условными номерами марок (от 0 до 6). В конце маркировки содержится информация о степени раскисления стали, которая обозначается «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная. При этом нанесение маркировки осуществляется с применением определенного цвета:

• красного, зеленого — сталь Ст0;
• желтого и черного — Ст1;
• желтого — Ст2;
• красного — Ст3;
• красного и коричневого — Ст3Гпс;
• синего и коричневого — Ст3Гсп;
• черного — Ст4;
• зеленого —Ст5;
• зеленого и коричневого — Ст5Гпс;
• синего — Ст6.

Для обозначения марок качественной, высококачественной углеродистой стали используют цифры — они означают углерода в сотых долях процента. При обозначении качественной углеродистой стали есть ряд некоторых исключений:

• 15К, 20К, 22К — используют для производства котлов;
• 20-ПВ — металл содержит 1,2% углерода, а также медно-хромовую смесь, применяется в производстве труб для систем отопления;
• ОсВ — свидетельствует о наличии в составе никелевой, хромовой и медной добавки, поэтому служит для изготовления железнодорожных вагонов;
• А75, АСУ10Е, АУ10Е — углеродистая сталь с такой маркировкой используется в создании часовых механизмов.

Инструментальную сталь обозначают буквой «У» в начале маркировки. За ней следует цифра, обозначающая количество углерода в десятых долях процента.

Также в маркировке могут указываться буквы:

• «Б» — химический состав углеродистой стали, соответствующий нормативам. Такой материал может штамповаться, подвергаться ковке, термическому воздействию (некоторые сорта), но при этом не исключается ухудшение механических характеристик.
• «И» — обозначают самые качественные стали, которые могут свариваться между собой.

Такой подвид углеродистой стали как «А» характеризуется нерегламентированным химическим составом. Этот материал не подвергается предварительной обработке давлением, не предназначается для сварки. Данный подвид не указывается в маркировке.

В заключение

Углеродистая сталь — востребованный в промышленности материал, содержащий минимальное количество легирующих присадок. Такой сплав состоит преимущественно из железа с добавлением 0,25–2% углерода. В зависимости от количества этого элемента сталь подразделяют на высокоуглеродистую (0,6–2%), среднеуглеродистую (0,3–0,6%) и с низким содержанием углерода (до 0,25%). По степени раскисления она бывает спокойной, полуспокойной и кипящей. Перед использованием любого изделия из стали обращают внимание на маркировку, в которой отображается основная информация о физико-химических свойствах металла и области его применения. Это позволяет подобрать оптимальный вариант стального сплава в соответствии с существующими задачами.

Стали углеродистые. Марки, свойства и их применение

Сталь является наиболее распространенным материалом в машиностроении. Создание новых более совершенных машин стимулирует создание марок сталей со свойствами, отвечающими современным требованиям в машиностроении. При этом ранее созданные марки сталей, с учетом новых технологий их производства, продолжают быть востребованы конструкторами при создании новых и совершенствовании действующих машин. Принято выделять следующие группы сталей:

• углеродистые стали, которые в общем объеме составляют примерно 80%,
• легированные стали конструкционные и инструментальные,
• стали с особыми свойствами специального назначения и др.

1. Стали углеродистые обыкновенного качества

Относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых. Из них получают до 70% всего проката — горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового. Из этих сталей изготовляют трубы, поковки, штамповки, ленту, проволоку, металлические изделия (метизы): гвозди, канаты, сетки, болты, гайки, заклепки, а также мало- и средненагруженные детали; штифты, шайбы, шпонки, крышки, кожухи, а из стали номеров 4-6 — валы, винты, зубчатые колеса и шпиндели. Стали обыкновенного качества хорошо свариваются.

В зависимости от назначения углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют (ГОСТ 380- 94) на три группы:

• А — поставляемые по механическим свойствам,
• Б — поставляемые по химическому составу,
• В — поставляемые по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей (прочностная характеристика, химический состав) сталь каждой группы подразделяют на категории:

• группа А — 1, 2 и 3-я;
• группа Б — 1, 2,-я;
• группа В — 1, 2, 3, 4, 5, 6-я.

Буквы Ст означают «сталь», цифры от до 6 — условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности σ_в и предел текучести σ_т и уменьшается относительное удлинение δ. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная (например: СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп; табл. 1 и 2).

Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества группы А и примерное назначение углеродистой стали обыкновенного качества приведены в табл. 1.

Таблица 1. Стали углеродистые, их механические свойства и назначение

заклепки, шайбы, шплинты, прокладки, кожухи.

от которых требуется высокая твердость поверхности и

невысокая прочность сердцевины, крюки кранов,

Для возможности распознания марок стали при складировании, прокат маркируют несмываемой краской. Для этого, независимо от группы и степени раскисления стали, используют краску цветов, указанных в табл. 2.

Таблица 2. Цвет маркировки стали углеродистой обыкновенного качества

2. Стали углеродистые качественные конструкционные

Являются основным металлом для изготовления деталей машин (валов, шпинделей, осей, зубчатых колес, шпонок, муфт, фланцев, фрикционных дисков, винтов, гайек, упоров, тяг, цилиндров гидроприводов, эксцентриков, звездочек цепных передач и др.), которые при взаимодействии в работающей машине воспринимают и передают различные по величине нагрузки. Эти металлы хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке.

Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.

Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной

Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).

Обозначение марки стали составляют из слова «Сталь» и двузначной цифры, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода — 0,220,30 %), Сталь 60-0,60 % (допустимое количество -0,57-0,65%). Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора — не более 0,035%.

Основные свойства углеродистой качественной конструкционной стали приведены в табл. 3, основное назначение — в табл. 4. Цвета маркировки приведены в табл. 5.

Таблица 4. Стали углеродистые качественные конструкционные, их основное назначение

Таблица 5. Цвета маркировки стали углеродистой качественной

3. Стали углеродистые инструментальные

Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.

Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99):

• качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
• высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А.

В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных — 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:

• 1-я — качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патенти- рованной проволоки и ленты);
• 2-я — высококачественные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы;
• 3-я — стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников;
• 4-я — стали всех марок для производства патентированной проволоки и ленты;
• 5-я — стали марок У7÷У13 для изготовления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали этих марок для производства горячекатаной и кованой сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки).

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью (63÷64 HRC₃), значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).

Измерительный инструмент, изготовленный из такой стали, должен быть прочным (а_в = 590÷640 МПа), длительное время сохранять заданные размеры и форму. Рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой стали, должны иметь высокую твердость, обладать износостойкостью при достаточной вязкости. Все это достигается путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. В табл. 6 приведены свойства углеродистой инструментальной стали, в табл. 7 — примерное назначение инструментальной углеродистой стали.

Таблица 6. Свойства стали углеродистой инструментальной (ГОСТ 1435 — 74)

Таблица 7. Примерное назначение стали углеродистой инструментальной

Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зернистый цементит, который способствует лучшей обрабатываемости резанием и уменьшает коробление деталей при закалке.

Углеродистая сталь – свойства и сферы применения

Углеродистая сталь востребована разнообразными предприятиями, из нее изготавливают детали для машиностроения, несущие конструкции, всевозможные инструменты и другие предметы.

1 Что нужно знать об углеродистых сплавах?

Углеродистые стали (УС) представляют собой металлургические низколегированные композиции, содержащие до 99,5 % железа. В них также вводятся в строго дозированных количествах различные добавки. Последние обуславливают особые эксплуатационные, технологические и механические свойства интересующих нас сплавов. От общего количества сталей, выплавляемых на металлургических предприятиях, на долю углеродистых композиций приходится порядка 80 %. Сейчас известно более двух тысяч марок таких сплавов. По сфере применения все они делятся на конструкционные, инструментальные и стали обыкновенного качества.

Их структура зависит от процентного содержания углерода. Изменяя его количество, можно придать готовой композиции заданные свойства (текучесть, плотность, пластичность, твердость). Если углеродистая сталь содержит менее 0,8 % углерода, ее структура включает в себя перлит и феррит. В сплавах с углеродом более 0,8 % обязательно присутствует цементит (вторичный). А вот низколегированная сталь с содержанием интересующего нас элемента на уровне 0,8 % имеет перлитную структуру. Прочность сплава, его ударная вязкость и порог хладноломкости повышаются при увеличении содержания углерода в нем. Но при этом фиксируется снижение пластичности проката.

Углеродистые стали подразделяют на три типа в зависимости от своего химсостава. Они могут быть низко-, средне- и высокоуглеродистыми. В первых углерод присутствует в малых количествах (до 0,25 %). Такие композиции хорошо деформируются (их плотность сравнительно мала) и в горячем состоянии, и в холодном, обладая высокой степенью пластичности. В среднеуглеродистом прокате углерода имеется 0,3–0,6 %. Эти сплавы характеризуются неплохой текучестью и пластичностью и при этом достаточной прочностью. Чаще всего они используются для строительных и иных конструкций, которые эксплуатируются в обычных условиях.

Всевозможные измерительные приборы и инструменты повышенной прочности делают из высокоуглеродистых (0,6–1,4 %) сплавов. Они имеют повышенную плотность и ряд уникальных характеристик (их обуславливает особая структура выплавляемой стали). Таким образом, область применения углеродистых композиций зависит от их химического состава и непосредственно от назначения конкретной марки стали. Позже поговорим об этом подробнее.

2 Какие примеси имеются в углеродистом прокате?

Кроме углерода, в УС всегда имеются включения других химических элементов. К таковым относят кислород, водород, фосфор, марганец, азот, серу, кремний. От количества этих примесей зависит плотность готового проката и другие его механические свойства. Марганец дает возможность выполнять раскисление УС. Поэтому его специально добавляют в любой сплав. Под раскислением понимают важную и полезную операцию – удаление вредных продуктов закиси железа. За счет введения марганца структура металла становится более качественной. Он обеспечивает растворение сернистых веществ в цементите и феррите.

Аналогичную функцию выполняет и кремний. Он отлично раскисляет металлургические композиции. Их структура благодаря этому обретает требуемую упорядоченность. Здесь стоит отметить, что кремний полностью растворяется в феррите. Лишь небольшая его часть иногда остается в виде силикатов в углеродистых сплавах. Низколегированная сталь при этом не теряет своих стандартных характеристик. Негативное воздействие на свойства УС оказывает сера и фосфор. Первая попадает в металл из печных газов и из руды. Сера снижает плотность проката (усредненный ее показатель равняется 7,8 г/куб. см) и делает сплав хрупким. По этой причине ее содержание в УС должно контролироваться и корректироваться. В качественном углеродистом прокате серы не может быть более 0,04 %, в обыкновенном – более 0,03.

Фосфор попадает в сталь из флюсов и железной руды. При большом содержании данного элемента прокат становится хрупким. Это приводит к хладноломкости сплава, что недопустимо. В настоящее время фосфор без проблем удаляется из металлургических углеродистых композиций, применение которых требует минимального содержания этой примеси. Углеродистые и легированные стали в незначительных объемах содержат азот, водород, кислород. Их количество зависит от вида металлургического производства (конвертерный, мартеновский процесс, выплавка в электрических агрегатах). Азота и водорода в прокате может быть от 0,0001 до 0,0007 %, кислорода – от 0,002 до 0,03 %.

Чрезмерное содержание таких примесей становится причиной увеличения предела хладноломкости сплавов. Они могут снижать ударную вязкость стали. Особенно опасен переизбыток водорода. Он может привести к появлению флокенов – надрывов в готовом прокате. При их наличии структура и свойства металла ухудшаются.

3 Стали обыкновенного и повышенного качества – применение и особенности

Обычная углеродистая сталь изготавливается в виде балок, прутьев, листьев и швеллеров. Ее свойства позволяют применять сплавы обыкновенного качества в машиностроительной отрасли и в строительной сфере в качестве надежных опорных изделий. Маркируются обычные стали буквами Ст и цифрой от 0 до 6. Последние указывают на прочность сплава. Чем большая цифра стоит в маркировке, тем более прочной является сталь. Обозначение УС также включает в себя методику раскисления металлургической композиции. С этой точки зрения сплавы могут быть:

• кипящими (маркировка – КП);
• полуспокойными (ПС);
• спокойными (СП).

Кроме того, обычные по качеству углеродистые стали делят на подвиды А, Б и В. Сплавы группы А нельзя использовать для производства сварных конструкций. Эти стали не регламентируются по химическому составу. Их основным показателем принято считать механические свойства. Сплавы Б-подвида имеют строго определенный химсостав. При этом их механические свойства могут изменяться. Изделия из сталей группы Б допускается подвергать термической обработке, ковке, штамповке. Самыми дорогими (и, конечно же, качественными) являются сплавы В-подвида. Их химсостав и механические свойства четко соответствуют требованиям Госстандартов. За счет особых характеристик таких сталей их разрешается сваривать без ограничений (по разным технологиям).

Конструкционные УС поставляют в виде разнообразных полуфабрикатов, включая различные варианты поковок и проката. Такие качественные углеродистые стали имеют мало неметаллических примесей и негативно влияющих на свойства стали элементов (серы и фосфора). Поэтому их характеристики (механические и химические) являются строго гарантированными. Обозначаются конструкционные качественные сплавы числами, состоящими из двух цифр – 45, 20, 08, 85 и так далее. Этот код указывает содержание (в сотых частях процента) углерода в готовом прокате. Если перед нами сталь с маркировкой 45, несложно понять, что углерода в ней около 0,45 %. Конструкционные УС идеально подходят для производства широкой номенклатуры машиностроительных изделий. Важно! Начальные свойства таких сплавов (эксплуатационные и прочностные) легко повышаются посредством проведения их термической обработки.

Инструментальные стали находят применение при изготовлении инструмента для обработки древесины, матриц, фрез, пневматического инструмента, плашек, сверлильных приспособлений, кусачек, плоскогубцев и аналогичных инструментов. Также из них делают ножовочные полотна, напильники, измерительные механизмы. Маркируются инструментальные сплавы литерой У, цифрами, указывающими на количество углерода (десятые части процента), а также дополнительной буквой А (ставится в конце обозначения стали, если речь идет о прокате высокого качества). Если перед вами сплав с маркировкой У13А, сразу можно понять, что вы имеете дело с инструментальной высококачественной сталью с углеродом 1,3 %.

4 Плотность сплавов и их термообработка – что полезно знать?

При колебаниях температуры от +20 до +900° плотность рассматриваемых сталей практически не изменяется. Эта величина находится в пределах 7,7–7,9 г/куб.см. По сути, плотность УС аналогична показателю плотности железа. Это логично, ведь основу любого углеродистого сплава составляет именно оно. Изменить плотность, а также свойства и структуру УС позволяет их термообработка. Под такой операцией понимают нагрев сплава, а затем его охлаждение.

Термическая обработка углеродистых сталей бывает следующих видов:

• отжиг;
• отпуск;
• закалка;
• нормализация.

Применение отжига металла позволяет получить сплавы со структурой, мало чем отличающейся от равновесной. Такая операция осуществляется по простой схеме: нагрев металла до определенной температуры и его выдержка в течение заданного времени, а затем охлаждение проката (оно происходит, как правило, вместе с печью на протяжении относительно длительного временного отрезка). Закалка углеродистой стали производится аналогичным образом. Но охлаждается нагретый металл в данном случае с заданной (достаточно быстрой) скоростью. Она подбирается металлургами так, чтобы готовый прокат получил полностью мартенситную структуру. При закалке обязательным является применение специальных масел, соляных растворов либо воды. Эти жидкости обеспечивают быстрое охлаждение УС.

Отпуск дает возможность получить прокат с определенными свойствами. Он применяется только для закаленных ранее сплавов. Отпуск обеспечивает снятие напряжений (внутренних) в металле и повышение его механических параметров. Углеродистая сталь, кроме того, может подвергаться нормализации (нагрев, выдержка и остывание естественным путем на открытом воздухе). Такой процесс не относят к основным типам термообработки. Он, скорее, представляет собой подвид стандартной закалки или отжига.