Сера является основным элементом, который делает сталь хрупкой. Свинец, теллур, висмут и другие элементы используются в низколегированной конструкционной стали для резки
Всё об углеродистой стали – от состава до применения
Сталь находится в центре промышленного материаловедения. Она успешно используется для решения большинства инженерных задач. Инженеру доступен огромный выбор вариантов, от простейших компонентов до хромоникелевой нержавеющей стали, которую можно использовать в открытом космосе.
Наибольшего внимания заслуживают углеродистые стали и их марки. Они не содержат значительных легирующих добавок и поэтому состоят только из железа и углерода. Чтобы лучше узнать углеродистые стали, необходимо понять основы поведения всех сплавов категории «железо» и то, от чего 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
Только несколько уникальных промышленных материалов имеют собственное имя, либо в честь своих изобретателей, либо из-за особых свойств. Остальные обходятся фирменным названием, которое кодирует некоторую основную информацию. Марку можно сравнить с сортом, состав и структура которого строго определены и неизменны.
Традиционно все углеродистые стали делятся на различные категории по двум параметрам: химическому составу материала или его функциональному назначению. Кроме того, соседние марки в первой классификации могут быть равнозначными при оценке эксплуатационных свойств.
По химическому составу
Наиболее важным параметром, который необходимо учитывать для любой марки стали, является содержание углерода. Существует три типа:
05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2.
25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.
58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, Y9, Y12, Y13
Низкоуглеродистые стали предназначены в основном для сварки — низкое содержание углерода делает их очень прочными во всех процессах сварки, они не склонны к образованию дефектов и трещин и легко поддаются механической обработке и гибке. В целом, они вязкие и имеют низкую прочность.
Термическое упрочнение (закалка, закалка) не оказывает заметного влияния на прочность или твердость. С другой стороны, низкое содержание углерода позволяет проводить особый вид химико-термической обработки материала — карбонизацию. Поверхностные слои пропитываются углеродом из внешнего источника, после чего реакция закалки протекает совершенно иначе. Твердость поверхности зашкаливает, в то время как сердцевина остается мягкой и может выполнять функцию поглотителя напряжений.
Среднеуглеродистые стали являются наиболее распространенными и популярными благодаря своей «средней» твердости и гибкости. Они не имеют недостатков других маргинальных групп и обладают своими преимуществами.
В частности, эти стали равномерно и безопасно реагируют на закалку и достигают требуемой прочности и твердости без дополнительных ухищрений. Однако сваривать их следует осторожно — повышенная доза углерода может привести к образованию трещин, если шов кристаллизуется.
Их используют для деталей машин и механизмов, которые постоянно подвергаются рабочим нагрузкам. К ним относятся различные шестерни, рычаги, колеса, шкивы, валы и оси. Углеродистые стали всегда дешевле, чем все легированные стали, поэтому предпочтительны марки со средним содержанием углерода, если конечный продукт не подвержен коррозии, нагреву или охлаждению. Примером использования таких сплавов является тяжелая работа в нормальных условиях.
Стали с высоким содержанием углерода вообще не рекомендуется использовать для сварки: Они очень восприимчивы к растрескиванию, расслоению и остаточным напряжениям в зоне сварки. Из-за высокого содержания углерода они лучше других сталей реагируют на закалку. В результате получается очень высокая твердость и прочность, вплоть до пружинных свойств.
Такие марки используются в производстве деталей специальных машин, пружин различной конфигурации (плоских, витых, тарельчатых), режущих инструментов и замков.
По области применения
Благодаря своему химическому составу, «спектр задач» каждой марки уже предопределен, как и диапазон, в котором она может быть наиболее эффективно использована. По этой причине все углеродистые стали делятся на три категории в зависимости от области их применения:
Свойства углеродистых сталей
При рассмотрении конкретной марки инженера интересует не химический состав как таковой, а как прямое указание на возможные физико-механические свойства. Они, в свою очередь, отражают спектр функций, которыми характеризуется материал.
Учитывая эту взаимосвязь, можно сказать, что каждая марка углеродистой стали уникальна, так как имеет свои собственные характеристики
Прочностные характеристики
Первым параметром, который необходимо учитывать при проектировании конструкции, является способность материала выдерживать оказываемые на него нагрузки. Это комплексное свойство, включающее в себя прочность:
- предел прочности — размер силовой нагрузки, при которой металл разрушается;
- предел текучести — размер силовой нагрузки, при которой металл начинает деформироваться;
- ударная вязкость — способность сопротивляться внезапным силовым воздействиям;
- относительное удлинение при разрыве — насколько металл будет удлиняться перед тем, как окончательно «порваться» под действием радикальной силовой нагрузки, превышающей предел прочности;
- твердость — способность сопротивляться внедрению иного твердого тела.
Все эти параметры тесно взаимосвязаны. Все эти параметры тесно взаимосвязаны, и, оценив их, можно легко предсказать поведение материала в процессе эксплуатации.
Связь между отдельными механическими свойствами сплава не всегда прямая. Например, предел прочности при растяжении всегда в 1,7-2,2 раза больше предела текучести. И наоборот, чем выше предел текучести сплава, тем меньше значение удлинения при разрыве.
Механические свойства углеродистых сталей возрастают с увеличением содержания углерода. Этот элемент вносит значительный вклад во все свойства сплава.
В таблице ниже приведены ориентировочные значения для различных типов стали в прокатанном состоянии.
Что относится к углеродистой стали
- кремний до 1%;
- марганец до 1%;
- сера до 0,05%;
- фосфор до 0,06%.
Для производства углеродистой стали используются лом и чугун, а для производства углеродистой стали могут применяться следующие процессы:
- мартеновские установки;
- конверторные плавильные печи;
- электрические плавильные печи.
Углеродистые стали различных типов производятся путем плавки в открытых печах. Сырье засыпается в плавильные камеры и расплавляется при высоких температурах.
В конвертерных печах сырье подвергается дополнительной обработке кислородом во время плавки. Для превращения примесей в шлак используется негашеная известь.
В электроплавильных печах сталь не окисляется, что снижает содержание водорода в конечном сплаве и тем самым повышает чистоту стали.
Классификация по количеству углерода
Классификация углеродистых сталей по содержанию углерода зависит от процентного содержания С в сплаве:
- низкоуглеродистая сталь (до 0,25% углерода);
- среднеуглеродиста (от 0,2 до 0,6% углерода);
- высокоуглеродистая (от 0,6 до 2% углерода).
Процентное содержание углерода в сплаве определяет свойства металла, такие как сопротивление деформации, устойчивость к высоким нагрузкам, прочность, пластичность и т.д.
Классификация по качеству
Классификация качества углеродистых сталей определяет наличие в составе примесей серы и фосфора. Эти химические элементы делают сплавы хрупкими (сера) и хладноломкими (фосфор). Различают следующие категории качества:
- обыкновенное качество (применяется маркировка Ст, содержание фосфора и серы до 0,05%);
- качественная (серы и фосфора до 0,035%, маркировка «Сталь»);
- высококачественная (серы и фосфора до 0,025%, маркировка А);
- особовысококачественная (содержание серы и фосфора до 0,015%, маркировка Ш).
Углеродистая конструкционная сталь
Эта марка стали в основном гарантирует механические свойства, поэтому ее качество отражает механические свойства, выраженные как Q+число, где «Q» означает предел текучести, а число — значение предела текучести, например, Q275 — предел текучести 275 МПа.
Если за категорией следуют буквы A, B, C и D, это означает, что марка стали отличается, содержание S и P попеременно уменьшается, а марка стали попеременно увеличивается, если за категорией следует буква «F», это кипящая сталь (это международные стандарты стали ANSI, ASTM).
Например, Q235-A — F означает закаленную сталь класса А с пределом текучести 235 МПа, а Q235-c — мягкую сталь класса С с пределом текучести 235 МПа.
Углеродистая конструкционная сталь обычно используется в своем первоначальном состоянии без термической обработки. Марки Q195, Q215 и Q235 обычно имеют низкое содержание углерода, хорошие сварочные свойства, хорошую пластичность и вязкость, а также некоторую прочность.
Их часто прокатывают в тонкие листы, арматуру, сварные стальные трубы и т.д. и используют для изготовления мостов, зданий и других конструкций, а также для изготовления обычных заклепок, болтов, гаек и других деталей.
Стали Q255 и Q275 имеют несколько более высокое содержание углерода, более высокую прочность, лучшую пластичность и вязкость и могут быть сварены.
Стальной прокат, полосовая и листовая сталь обычно используются в качестве конструкционных элементов, а также для изготовления шатунов, шестерен, крепежа, штифтов и других деталей для простых механизмов.
Высококачественная конструкционная сталь
Эти виды стали должны обладать как химическим составом, так и механическими свойствами. Марка выражается двумя числами, т.е. 10000 % от средней массовой доли углерода в стали. Например, сталь 45 означает, что средняя массовая доля углерода в стали составляет 0,45%; сталь 08 означает, что средняя массовая доля углерода в стали составляет 0,08%.
Высокосортная углеродистая конструкционная сталь в основном используется для изготовления деталей машин. Как правило, для улучшения механических свойств требуется термическая обработка. Существуют различные области применения в зависимости от массовой доли углерода.
Сталь 08, 08F, 10, 10F с высокой пластичностью и прочностью на удар с надрезом, обладает отличными свойствами холодной штамповки и сварки и часто подвергается холодной прокатке в тонкие листы, используемые для производства холодноформованных деталей для приборов, кузовов автомобилей и тракторов, таких как кузова автомобилей, кабины и т.д,
Стали 15, 20, 25 используются для производства науглероженных деталей с малыми размерами, низкими нагрузками, требованиями к износостойкой поверхности и низкой центральной прочностью, например, поршневых пальцев. После термической обработки (закалка + высокая термостойкость) стали 30, 35, 40, 45 и 50 имеют хорошие механические композиционные свойства, т.е. высокую прочность, высокую вязкость и твердость, и используются для деталей осей.
Стали 40 и 45, например, часто используются для коленчатых валов, шатунов, карданных валов, шестерен машин и других компонентов валов с низким напряжением. Стали 55, 60 и 65 имеют высокую прочность на разрыв после термической обработки (закалка + среднетемпературная закалка).
Они обычно используются для производства пружин с низким напряжением и малыми размерами (поперечное сечение менее 12~15 мм), таких как пружины сжатия и скорости, поршневые пружины, витковые пружины и т.д.
Углеродистая инструментальная сталь
Они характеризуются низкой стоимостью, хорошей обрабатываемостью, высокой твердостью и износостойкостью после механической обработки. Поэтому она широко используется для изготовления различных режущих инструментов, пресс-форм и измерительных инструментов.
Однако этот вид стали обладает плохой стойкостью к красному цвету, то есть, когда рабочая температура превышает 250℃, твердость и износостойкость стали резко падает и она теряет свою функциональность.
Кроме того, углеродистую инструментальную сталь трудно закалить, когда она используется для изготовления крупных деталей, при этом легко возникают деформации и трещины.
Чем отличаются инструментальные и конструкционные стали?
Область применения и процесс производства — вот основные различия между этими сталями. Углеродистые конструкционные стали выплавляются в конвертерах и в открытых печах. Они могут быть высокого или обыкновенного качества. Они делятся на группы A, B и C и обозначаются буквами или цифрами. Буква в обозначении указывает на группу стали, а цифры означают содержание углерода, увеличенное в 100 раз. Чем выше значение, тем тверже сталь. Обычные стали с повышенным содержанием марганца обозначаются буквой «G».
Стали группы А классифицируются по механическим свойствам, стали группы Б — по химическому составу, а стали группы В — по механическим свойствам и химическому составу. Это означает, что стали группы А обладают заданными свойствами, а стали группы Б соответствуют предписаниям документов.
Углеродистая инструментальная сталь выплавляется в печи с открытым горном или в электропечи. Она может быть спокойной, полуспокойной или кипящей. Различают низкосортную и высокосортную сталь. Наличие примесей в качественной инструментальной стали регламентируется: Сера не должна превышать 0,4%, фосфор — 0,6%. Цифра на маркировке указывает на содержание углерода в сантиметрах. Она также указывает на название материала
Сферы применения углеродистых сталей
Нелегированная углеродистая сталь используется для производства двутавровых балок, уголков, швеллеров, прутков, листов и другого проката. Высококачественная углеродистая сталь используется для изготовления инструментов и компонентов для различных областей машиностроения.
Отправьте онлайн-заявку, и мы свяжемся с вами в ближайшее время, чтобы ответить на все интересующие вас вопросы.
Виды углеродистых сталей по содержанию углерода
Содержание углерода, основного компонента углеродистой стали, может составлять от 0,25% до 2%.
Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%
Большая часть этого вида стали производится в виде холоднокатаных и отожженных полос и листов. Их свойства зависят от содержания основных химических элементов:
- C до 0,1%, Mn менее 0,4%. Материал обладает высокой способностью к горячей деформации и холодному волочению. Используется при производстве проволоки, очень тонких листов, тары и корпусов автомобилей.
- C от 0,1% до 0,25%. Такой материал более прочен и твёрд, чем описанный выше, а его способность к деформации ниже. Часто применяется для производства деталей с цементируемым поверхностным слоем.
- C около 0,25%, Mn и Al до 1,5%. Материал с высокой вязкостью. Подходит для металлов, предназначенных для ковки, штамповки, производства бесшовного трубного проката и листа для котлов.
- C около 0,15%, Mn менее 1,2%, Pb до 0,3% (или без него), минимальное количество Si. Применяется в массовом производстве на автоматических линиях деталей, которые не предназначены для восприятия серьёзных механических и температурных нагрузок.
Среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,2% до 0,6%
Как правило, содержание марганца в этих сталях составляет 0,6-1,65%. Они подходят для изготовления изделий, которые подвергаются высоким нагрузкам. Их можно ковать. Они подходят для использования в машиностроении.
Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,6% до 2%
При увеличении содержания углерода до 1% сталь становится прочнее и тверже, в то время как предел текучести и пластичность снижаются. Дальнейшее увеличение содержания углерода свыше 1 % приводит к образованию крупной мартенситной сети, что снижает прочность материала.
Высокоуглеродистая сталь характеризуется высокой стоимостью, низкой пластичностью и плохой свариваемостью. Применение такой стали ограничено режущими инструментами и высокопрочной проволокой.
Виды углеродистой стали по виду и качеству
Углеродистая сталь производится по различным технологиям, что приводит к различию в зависимости от качественных характеристик. Различают два вида стали:
Углеродистая конструкционная сталь содержит до 0,65-0,70 % углерода (в исключительных случаях производится также конструкционная сталь с 0,85 % углерода). Они достаточно прочны, обладают хорошей ударной вязкостью и легко поддаются механической обработке.
Углеродистые конструкционные стали широко применяются в промышленности: Они используются для изготовления конструктивных элементов в машиностроении и строительстве, деталей для оборудования, крепежа и во многих других областях.
Он также подразделяется на 3 типа в зависимости от качества.
- Обыкновенного качества – сталь широкого применения, которая подходит для производства крепёжных деталей, труб, строительных конструкций, листового проката и т.д.
- Повышенного качества – применяется для изготовления котлов, паровозных и вагонных осей, проволоки и т.д.
- Качественная – подходит для деталей, требующих высокой пластичности и сопротивления удару, применяемых при повышенном давлении, например, труб, болтов, винтов, зубчатых колёс и т.д.
Она характеризуется содержанием углерода 0,7% и более. Этот тип стали твердый и прочный, что делает его пригодным для изготовления инструментов. Различают высококачественную (0,03% серы и 0,035% фосфора) и высококачественную (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, боковых кусачек и др. |
| У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А | Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых; накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек. 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 и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в т. ч. для часов и т. д. |
| У10А, У12А | Для сердечников |
| У10, У10А | Для игольной проволоки |
| У10, У10А, У11, У11А | Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению; калибров простой формы и пониженных классов точности; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др. Для напильников, шаберов холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в т. ч. для часов и т. д. |
| У12, У12А | Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных; штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности. |
| У13, У13А | Для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов. |
Виды углеродистой стали по степени раскисления
Степень окисления — еще один фактор, который способствует разделению углеродистых сталей на типы. Всего существует 3 типа: покоящиеся, полупокоящиеся и кипящие.
Кипящие стали имеют более однородную внутреннюю структуру — они раскислены путем добавления в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. В составе почти нет оксида железа. Микроструктура является мелкозернистой из-за остаточного алюминия. В результате получается качественный металл, пригодный для самых ответственных деталей и конструкций. Однако у этого типа сплава есть существенный недостаток — он довольно дорог в выплавке.
Углеродистые кипящие стали являются более дешевой, но менее качественной альтернативой неплавящимся сплавам. Их выплавка производится с минимальным количеством специальных добавок, а процесс раскисления в печи не завершается, в результате чего в структуре углеродистой кипящей стали образуются растворенные газы, негативно влияющие на ее свойства.
Полурафинированные стали являются промежуточным продуктом как по своим свойствам, так и по степени раскисления. Перед разливкой в микроструктуру добавляют небольшое количество окислителей, чтобы металл затвердевал практически без кипения, а газовая эволюция продолжалась. В результате в микроструктуре полукипящей углеродистой стали меньше газовых пузырьков, чем в кипящей стали. Полукипящие углеродистые стали чаще всего используются в качестве конструкционных материалов.
