Сера представляет собой ключевой элемент, который способствует снижению прочности стали, делая её хрупкой. Такие элементы, как свинец, теллур и висмут, обычно применяются в низколегированной конструкционной стали, которая используется для резки и других промышленных процессов.
Всё об углеродистой стали – от состава до применения
Сталь занимает центральное положение в области промышленного материаловедения. Этот металл находит успешное применение для решения множества инженерных задач. Инженеры располагают огромным выбором вариантов, начиная от самых простых стальных компонентов и заканчивая специализированными материалами, такими как хромоникелевые нержавеющие стали, которые могут использоваться даже в условиях открытого космоса.
Особое внимание стоит уделить углеродистым сталям и их различным маркам. Эти стали характеризуются отсутствием значительных легирующих добавок и состоят исключительно из железа и углерода. Для глубокого понимания углеродистых сталей необходимо рассмотреть основы поведения всех сплавов под категорией «железо» и определить факторы, от которых зависят их эксплуатационные характеристики.
- Всё об углеродистой стали – от состава до применения
- Классификация и марки
- По химическому составу
- По области применения
- Свойства углеродистых сталей
- Прочностные характеристики
- Коррозионная стойкость
- Износостойкость
- Стойкость к воздействию температур
- Технологичность в обработке
- Применение углеродистых сталей
- Производство деталей машин
- Производство инструмента
- Производство крепежа
- Заключение
Классификация и марки
Несколько уникальных промышленных материалов имеют собственное название, которое может быть дано в честь их изобретателей либо основано на уникальных свойствах. Остальные материалы используют кодировочные обозначения, которые несут информацию о составе и свойствах. Марка стали напоминает сорт, свойства и структура которого строго определены и неизменны.
Все углеродистые стали традиционно классифицируются по двум основным параметрам: химическому составу и функциональному назначению. При этом марки с близкими значениями в первой классификации могут демонстрировать схожие эксплуатационные свойства.
По химическому составу
Ключевым параметром, который следует учитывать при оценке любой марки стали, является содержание углерода. Углеродистые стали подразделяются на три группы:
- Стали общего назначения: 05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2.
- Стали средней прочности: 25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.
- Стали с высоким углеродом: 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, Y9, Y12, Y13.
Низкоуглеродистые стали в основном предназначены для процессов сварки. Их низкое содержание углерода придаёт им высокую прочность во всех сварочных процессах, а также снижает риск возникновения дефектов и трещин, обеспечивая легкость механической обработки и гибкости. В целом они характеризуются вязкостью и низкой прочностью.
Термическое упрочнение, включая закалку и отжиг, не влияет существенно на прочность или твердость таких сталей. Однако низкое содержание углерода позволяет применять специальную процедуру химико-термической обработки, называемую карбонизацией. В этом процессе поверхностные слои стали насыщаются углеродом из внешних источников, что кардинально изменяет механические свойства материала после закаливания. В результате твердость поверхности повышается до чрезвычайных уровней, в то время как сердцевина остаётся мягкой, что позволяет ей выполнять амортизирующие функции.
Среднеуглеродистые стали являются наиболее распространёнными и пользуются большой популярностью благодаря сбалансированному сочетанию твердости и гибкости. Они не имеют недостатков, присущих крайним категориям, и обладают своими уникальными преимуществами.
Эти стали безопасно и равномерно реагируют на закалку, достигая необходимых значений прочности и твердости без сложных дополнительных манипуляций. Однако процесс сварки таких сталей требует осторожности, так как повышенное содержание углерода может привести к образованию трещин в сварном шве.
Машины и механизмы, которые подвергаются постоянным рабочим нагрузкам, изготавливаются именно из этих сталей. К таким деталям относятся различные шестерни, рычаги, колеса, шкивы, валы и оси. Углеродистые стали, как правило, дешевле, чем легированные стали, что делает предпочтительными марки со средним содержанием углерода, особенно если конечный продукт не подвержен воздействию коррозии, высоких температур или резких перепадов температур. Примером использования таких сплавов служат ситуации с тяжёлой работой в обычных условиях.
Стали с высоким содержанием углерода крайне не рекомендуется использовать для сварки: они значительно подвержены растрескиванию, расслоению и накоплению остаточных напряжений в зоне сварки. Такое высокое содержание углерода приводит к тому, что эти марки лучше других стали реагируют на закалку, что обеспечивает им исключительные показатели твердости и прочности, практически достигая пружинных характеристик.
Эти марки используются в производстве деталей специального назначения, таких как пружины разнообразных конфигураций (плоские, витые, тарельчатые), режущие инструменты и замковые механизмы.
По области применения
Учитывая специфику химического состава, «спектр задач», с которым может справиться каждая марка стали, становится чётко определённым, как и диапазон наиболее эффективного их применения. Поэтому все углеродистые стали разделяются на три главные категории согласно области их применения:
Свойства углеродистых сталей
При детальном исследовании конкретной марки углеродистой стали инженера интересует не только химический состав, но и возможные физико-механические свойства, отражающие функциональные характеристики материала.
Учитывая эту взаимосвязь, можно утверждать, что каждая марка углеродистой стали уникальна, так как обладает индивидуальными характеристиками.
Прочностные характеристики
При проектировании конструкции одним из первых параметров, который необходимо учитывать, является способность материала выдерживать приложенные нагрузки. Это общее свойство охватывает следующие:
- Предел прочности — это критическое значение силовой нагрузки, при которой материал начинает разрушаться;
- Предел текучести — это максимальная нагрузка, при превышении которой металл начинает испытывать деформацию;
- Ударная вязкость — способность материала сопротивляться резким силовым воздействиям;
- Относительное удлинение при разрыве — это величина, на яку металл может удлиниться перед тем, как окончательно потеряет свою целостность под избыточной нагрузкой, превышающей предел прочности;
- Твердость — отражает способность материала сопротивляться внедрению твёрдых тел.
Все эти параметры тесно взаимосвязаны между собой. Правильная оценка каждого из них позволяет предсказать поведение материала в условиях эксплуатации.
Связь между отдельными механическими свойствами сплава не всегда очевидна. Например, предел прочности при растяжении обычно в 1,7-2,2 раза превышает предел текучести, тогда как увеличение предела текучести, как правило, приводит к снижению значения относительного удлинения при разрыве.
Механические свойства углеродистых сталей увеличиваются с ростом содержания углерода. Этот элемент играет важную роль во всех характеристиках сплава.
В таблице ниже приведены ориентировочные значения прочностных характеристик для различных типов углеродистых сталей в прокатанном состоянии.
Что относится к углеродистой стали
- Кремний до 1%;
- Марганец до 1%;
- Сера до 0,05%;
- Фосфор до 0,06%.
Сырьём для производства углеродистой стали служат лом и чугун. Процесс плавки углеродистой стали осуществляется при помощи различных технологий:
- Мартеновский процесс;
- Конверторное плавление;
- Электрическое плавление.
Производство углеродистых сталей различных типов основано на процессе плавления в открытых печах. Сырьё помещается в плавильные камеры и расплавляется при высоких температурах.
При работе в конвертерных печах сырьё дополнительно обрабатывается кислородом во время плавки. Негашеная известь используется для превращения примесей в шлак.
В электрических печах сталь плавится без окисления, что минимизирует содержание водорода в конечном сплаве, что, в свою очередь, повышает его чистоту.
Классификация по количеству углерода
Классификация углеродистых сталей по содержанию углерода определяется процентным содержанием углерода (С) в сплаве:
- Низкоуглеродистая сталь (до 0,25% углерода);
- Среднеуглеродистая сталь (от 0,2% до 0,6% углерода);
- Высокоуглеродистая сталь (от 0,6% до 2% углерода).
Процентное содержание углерода определяет многие механические свойства металла, такие как сопротивление деформации, стойкость к высоким нагрузкам, прочность, пластичность и др.
Классификация по качеству
Классификация углеродистых сталей по качеству отражает содержание в них примесей серы и фосфора. Эти химические элементы способны снижать прочность сплавов (сера) и увеличивать хладноломкость (фосфор). Различают следующие категории качества:
- Обыкновенное качество (маркировка Ст, содержание фосфора и серы до 0,05%);
- Качество повышенное (содержание серы и фосфора до 0,035%, маркировка «Сталь»);
- Высококачественное качество (содержание серы и фосфора до 0,025%, маркировка А);
- Особовысококачественное качество (содержание серы и фосфора до 0,015%, маркировка Ш).
Углеродистая конструкционная сталь
Эта категория стали в основном отвечает за механические свойства, качество которых обозначается как Q+число, где «Q» указывает предел текучести, а числовое значение—это величина предела текучести. Например, Q275 означает, что предел текучести составляет 275 МПа.
Если после марки следует буквы A, B, C или D, это указывает на различия в марке стали, которые заключаются в поочередном уменьшении содержания S и P, и соответствующем увеличении самой марки стали. Буква «F» в конце маркировки указывает на то, что это кипящая сталь (в соответствии с международными стандартами ANSI, ASTM).
Примером марки может быть Q235-A — F, обозначающая закалённую сталь класса А с пределом текучести 235 МПа, тогда как Q235-C указывает на мягкую сталь класса С с таким же пределом текучести.
Углеродистая конструкционная сталь, как правило, используется в первоначальном состоянии, не подвергаясь термической обработке. Марки Q195, Q215 и Q235 характеризуются низким содержанием углерода, хорошими сварочными свойствами, высокой пластичностью и вязкостью, а также достаточной прочностью.
Эти стали часто прокатываются в тонкие листы, арматуру, сварные стальные трубы и т.д., и используются в строительстве мостов, зданий и других конструкций, а также в производстве обычных заклепок, болтов, гаек и других деталей.
Стали Q255 и Q275 содержат больше углерода, обладают повышенной прочностью и лучшей пластичностью при отличной вязкости, что также позволяет выполнять сварочные процессы.
Прокат, полосовая и листовая сталь часто используются в качестве конструкционных элементов, а также для изготовления шатунов, шестерен, крепежа, штифтов и других деталей для простых механизмов.
Высококачественная конструкционная сталь
Эти марки стали должны соответствовать высоким стандартам как по химическому составу, так и по механическим свойствам. Маркировка стали выражается двумя числами, представляющими 10000% от средней массовой доли углерода в стали. Например, сталь 45 указывает, что содержание углерода составляет 0,45%; сталь 08 означает содержание углерода 0,08%.
Высококачественная углеродистая конструкционная сталь в основном предназначена для производства деталей машин. Обычно, чтобы добиться улучшенных механических свойств, требуется термическая обработка. Существуют различные области применения, в зависимости от содержания углерода.
Стали 08, 08F, 10, 10F, обладая высокой пластичностью и прочностью, с высокой ударной стойкостью, обладают отличными свойствами холодной штамповки и сварки, а также часто подвергаются холодной прокатке для получения тонких листов, которые затем используют для производства частей, подверженных высоким требованиям, таких как кузова автомобилей и тракторов.
Стали 15, 20, 25 предназначены для производства науглероженных деталей малых размеров, которые испытывают невысокие нагрузки и требуют стойкости к износу, например, поршневых пальцев. После термической обработки (как правило, закалки и отжига на высокой температуре) стали 30, 35, 40, 45 и 50 показывают отличные механические свойств, включающие в себя высокую прочность, высокую вязкость и твердость; и зачастую применяются в производстве деталей осей.
Стали 40 и 45 часто находят применение в коленчатых валах, шатунах, карданных валах, шестернях и других механизмах, которые подвержены низким напряжениям. Показатели прочности на разрыв у сталей 55, 60 и 65 значительно улучшены после термической обработки (закалки с последующей обработкой в средних температурах).
Эти марки в основном используются в производстве пружин с малым сечением (менее 12~15 мм), таких как пружины сжатия, пружины скорости, и витковые пружины.
Углеродистая инструментальная сталь
Инструментальная углеродистая сталь характеризуется низкой стоимостью, хорошими обрабатываемыми свойствами, высокой твердостью и износостойкостью после механической обработки. Поэтому она широко используется для изготовления разнообразных режущих инструментов, пресс-форм и измерительных приборов.
Тем не менее, этот тип стали имеет недостаточную термостойкость: когда рабочая температура превышает 250℃, твердость и износостойкость резко падают, нарушая функциональность стали.
К тому же, углеродистая инструментальная сталь труднее закаляется при производстве крупных деталей, что может спровоцировать появление деформаций и трещин.
Чем отличаются инструментальные и конструкционные стали?
Основным различием между инструментальными и конструкционными сталями являются область применения и процесс их производства. Углеродистые конструкционные стали выплавляются в конвертерах и открытых печах. Они могут быть как высоким, так и обыкновенным качеством. Их классификация осуществляется по группам A, B и C с применением букв и цифр. Буквенное обозначение указывает на группу стали, а числовое значение корректирует содержание углерода, увеличенное на 100 раз. Чем выше значение, тем выше прочность стали. Обычные стали с увеличенным содержанием марганца указываются буквой «G».
Стали группы A классифицируются по механическим свойствам, группы B — по химическому составу, а группы C — совместно по механическим свойствам и химическому составу. Это означает, что стали группы A имеют фиксированные свойства, а стали группы B следуют требованиям нормативных документов.
Инструментальная углеродистая сталь производится в печах с открытым горном либо в электропечах. Она может быть спокойной, полуспокойной или кипящей. Различают низкосортную и высокосортную стали. Содержание примесей в высококачественной инструментальной стали регламентируется: содержание серы не должно превышать 0,4%, фосфор — 0,6%. Цифры в маркировке указывают на содержание углерода в сантиметрах и также определяют название материала.
Сферы применения углеродистых сталей
Необработанная углеродистая сталь широко используется для производства двутавровых балок, уголков, швеллеров, прутков, листов и другого проката. Высококачественные углеродистые стали находят применение в создании инструментов и компонентов для множества отраслей машиностроения.
Если у вас есть вопросы или вы хотите знать больше, отправьте онлайн-заявку, и мы свяжемся с вами в кратчайшие сроки.
Виды углеродистых сталей по содержанию углерода
Содержание углерода в углеродистой стали варьируется в пределах от 0,25% до 2%.
Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%
Преобладающая часть низкоуглеродистых сталей производится в виде холоднокатаных и отожженных полос и листов. Свойства этого вида стали определяются содержанием основных химических элементов:
- C до 0,1%, Mn менее 0,4%. Такой металл обладает высокой способностью к горячей деформации и холодному волочению. Чаще всего применяется при производстве проволоки и очень тонких листов, а также для изготовления корпусов автомобилей.
- C от 0,1% до 0,25%. Данная сталь обладает большей прочностью и твёрдостью, чем первая группа, однако её способность к деформации снижена. Часто используется для деталей с цементируемым поверхностным слоем.
- C около 0,25%, Mn и Al до 1,5%. Этот материал демонстрирует высокую вязкость и подходит для использования в ковке, штамповке, а также для производства бесшовного трубного проката и листа для котлов.
- C около 0,15%, Mn менее 1,2%, Pb до 0,3% (возможно без его добавления), минимальное содержание Si. Находит применение в серийном массовом производстве на автоматических линиях деталей, которые не сталкиваются с серьёзными механическими и температурными нагрузками.
Среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,2% до 0,6%
В основном содержание марганца в таких сталях составляет от 0,6% до 1,65%. Эти стали подходят для производства изделий, которые подвергаются высоким нагрузкам, а также могут быть кованы, что делает их востребованными в машиностроении.
Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,6% до 2%
С увеличением содержания углерода до 1% сталь становится как прочнее, так и твёрже, тем не менее, предел текучести и пластичность при этом снижаются. Превышение содержания углерода свыше 1% может привести к образованию крупной мартенситной структуры, что отрицательно сказывается на прочности материала.
Высокоуглеродистая сталь отличается высокой стоимостью, низкой пластичностью и плохой свариваемостью, что ограничивает область её применения, в основном, режущими инструментами и высокопрочной проволокой.
Виды углеродистой стали по виду и качеству
Углеродистая сталь производится различными технологиями, что приводит к её различиям в качественных характеристиках. Существуют два основных вида сталей:
Углеродистая конструкционная сталь содержит до 0,65-0,70% углерода. В исключительных случаях может производиться конструкционная сталь с 0,85% углерода. Эти стали отличаются высокой прочностью, отличной ударной вязкостью и легкостью в механической обработке.
Углеродистые конструкционные стали широко используются в различных отраслях промышленности: они служат для создания конструктивных элементов в машиностроении и строительстве, а также для производства крепежных деталей и многих других компонентов.
Кроме этого, стали делят на три типа в зависимости от качества.
- Обыкновенное качество — сталь широкого применения, которая подходит для производства крепежа, труб, строительных конструкций, листового проката и др.
- Повышенное качество — используется для изготовления котлов, осей паровозов и вагонов, проволоки и других деталей.
- Качественное качество — подходит для деталей, требующих высокой пластичности и устойчивости к ударным нагрузкам в условиях повышенного давления, например, для труб, болтов, винтов, зубчатых колёс и др.
Сталь с содержанием углерода 0,7% и выше характеризуется высокой твердышью и прочностью, что делает её подходящей для создания инструментов. Эти стали различаются на высококачественные (0,03% серы и 0,035% фосфора) и особенно высококачественные (0,02% серы и 0,03% фосфора).
Применение инструментальной стали
| Тип стали | Применение |
| У7, У7А | Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот; пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимок, бойков; кузнечных штампов; игольной проволоки; слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев и боковых кусачек. |
| У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А | Для изготовления инструментов, которые работают при условиях, исключающих значительное нагревание режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил; а также накатные ролики, формообразующие плиты для литья оловянных и свинцовых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимки для заклепок, кернеры, бородки, отвертки, комбинированные плоскогубцы, острогубцы и боковые кусачки. Для калибров простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин, клапанов и мелких конструктивных деталей, включая детали для часов. |
| У10А, У12А | Для сердечников инструментов. |
| У10, У10А | Для игольной проволоки. |
| У10, У10А, У11, У11А | Для создания инструментов, работающих в условиях, где подавляется нагрев режущей кромки; для обработки дерева: ручные пилы, сверла; для штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных) малых размеров и без резких переходов по сечению; а также для накатных роликов, напильников и слесарных шаберов. Для напильников, толщиной от 2,5 до 0,02 мм, термообработанных холоднокатанных лент, предназначенные для изготовления пружин и сложных конструктивных деталей, таких как клапаны и мелкие детали для часов. |
| У12, У12А | Для метчиков, напильников, штампов малых размеров холодной штамповки и без резких переходов по сечению, для холодновысадочных пуансонов и штемпелей. |
| У13, У13А | Для инструментов с пониженной износостойкостью, работающих при умеренных и значительных давлениях (без разогрева режущей кромки); для напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов и гравировальных инструментов. |
Виды углеродистой стали по степени раскисления
Степень раскисления стала ещё одним фактором, определяющим типы углеродистых сталей. Существуют три типа: покоящиеся, полупокоящиеся и кипящие.
Кипящие стали имеют более однородную микроструктуру, что достигнуто благодаря раскислению с добавлением в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. В их составе практически отсутствует оксид железа, а благодаря оставшемуся алюминию наблюдается мелкозернистая структура. Это обеспечивает качество металлургического продукта, который подходит для самых ответственных деталей и конструкций. Однако данный процесс имеет свой недостаток: производство кипящих сталей довольно дорогое.
Кипящие углеродистые стали представляют собой менее дорогую и недостаточно качественную альтернативу просто окисляемым материалам. Их производство осуществляется с минимальным количеством лёгких добавок, а процесс раскисления может не завершаться, что приводит к образованию в структуре стали растворённых газов, отрицательно влияющих на её свойства.
Полураскисленные стали занимают промежуточное положение как по своим свойствам, так и по степени раскисления. Перед разливкой в их микроструктуру добавляются небольшие количества окислителей, позволяя металлу затвердевать почти без кипения и продолжать газообразование. В результате полупокоящиеся углеродистые стали дают меньшие поры газов в структуре, чем кипящие стали. Данный тип сталей чаще всего используется в качестве конструкционных материалов.
