Добавление углерода в сталь

Обновлено: 02.05.2024

Механические свойства стали зависят от наличия углерода в ее составе. Углерод в стали дает возможность изменять эти свойства и использовать ее в производстве в соответствии с показателями прочности и пластичности. При должных условиях цементация металла может пройти качественно и наделить сталь новыми полезными свойствами.

Изменение структуры при добавлении углерода

Показатели прочности и пластичности зависят от структуры и ее изменений при увеличении содержания углерода.

При доле до 0,2% образуется феррит и третичный цементит, дальнейшее увеличение приводит к образованию эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Значение показателя перлита постепенно повышается и при углероде 0,8% содержится только перлит. Если содержание более 0,8% появляются иглы вторичного цементита и перлит.

Образование цементита происходит до 2% углерода, при этом снижается прочность из-за хрупкости цементитной сетки по границам перлитных зерен. При превышении этого значения формируется эвтектическая смесь.

Новые свойства и преимущества сплава

Углерод в составе стали дает ей дополнительные преимущества, прежде всего это:

достаточная твердость поверхностного слоя и относительная мягкость внутреннего слоя;
хорошая обрабатываемость;
долговечность;
доступная цена.

С увеличением доли углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность, следовательно, чем его больше, тем труднее процесс обработки резанием, хуже показатели деформации и сваривания. Исходя из этого выделяют следующие виды стали:

Низкоуглеродистые, с долей менее 0,25%. Они достаточно пластичны, легко поддаются деформации и обработке.
Среднеуглеродистые, с долей 0,3-0,6%. Этот вид также пластичен, имеет средний показатель прочности.
Высокоуглеродистые, с долей 0,6-2%. С низкой вязкостью и высоким показателем прочности. Сварка производится только с предварительным разогревом до 225 градусов.

Помимо основных механических свойств, увеличение содержания углерода дает повышение порога хладноломкости.

Применение углеродистой стали

Сферы применения зависят от механических свойств, и, следовательно, от того, сколько углерода в стали. С показателем 0,7-1,3% углеродистую сталь используют для изготовления режущих и ударных инструментов. Маркируют их буквой «У», последующая цифра характеризует долю, например, У13. Чем выше показатель, тем больше влияние углерода на механические свойства стали.

Низкоуглеродистые стали разделяют на подгруппы в зависимости от назначения:

Низкоуглеродистые: 05, 08, 10. Благодаря своей пластичности используются в холодной штамповке для изготовления шайб, прокладок, кожухов и иных деталей.
Низкоуглеродистые: 15, 20, 25. Такое значение углерода в составе стали дает повышенную твердость и достаточный задел вязкости, применяются для изготовления деталей малого размера (кулачков, толкателей, малонагруженных шестерней).
Среднеуглеродистые: 30, 35, 40, 45, 50, 55. Применяются для изготовления коленчатых валов малооборотных двигателей, зубчатых колес, маховиков – деталей, у которых работоспособность определяется сопротивлением усталости. Используют после нормализации и поверхностной закалки, которые повышают вязкость и пластичность, соответственно, улучшается показатель обрабатываемости.
Высокоуглеродистые: 60, 65, 70, 75, 80, 85. Применяются для изготовления рессор, эксцентриков и пружин. Предварительно подвергаются закалке и среднему отпуску, что улучшает свойства упругости необходимые для изготавливаемых деталей.
Котельные: 12К-22К. Используют для изготовления оборудования, эксплуатируемого при высоких температурах (сосуды и котлы для турбин и камер сгорания).
Сталь автоматная. Нашла применение для изготовления крепежных изделий автомобилей в статических нагрузках (шпильки, гайки, болты).

Влияние других примесей

Как и углерод, иные химические элементы в составе стали влияют на ее механические свойства:

кремний – используется как активный раскислитель;
марганец – снижает влияние кислорода и серы, уменьшает стойкость к нагрузкам;
сера и фосфор – увеличивают показатель красноломкости, относятся к категории вредных примесей;
титан – улучшает показатели прочности и пластичности;
хром – повышает жаростойкость и стойкость к стиранию;
никель – улучшает вязкость и упругость;
медь – оказывает влияние на стойкость к коррозии.

Механические свойства стали в металлических конструкциях полностью зависят от ее состава и наличия тех или иных примесей. Именно эти характеристики необходимо учитывать при применении стали в промышленном производстве. Некоторое негативное влияние содержания элементов можно снизить дополнительными методами улучшения – термическим упрочением поверхности (цементация) или добавлением антикоррозийной защиты, проще говоря – гальваника, покрытие которой увеличивает срок службы изделия.

Мы надежная компания, в основе деятельности которой – правила честной конкуренции и жесткого контроля качества услуг.

Углерод в металле

Содержание углерода в металле определяет свойства углеродистых сталей, в частности, механические характеристики. Благодаря изменению процентного соотношения углерода можно сделать материал более пластичным или твердым, вязким или прочным.

Такие стали называются углеродистыми и классифицируются по своему составу, степени окисления, а также методам производства и применения. Металлы с разной степенью цементита используются в разных сферах. Как же углерод в металле способствует повышению ее востребованности?

На что влияет углерод в металле

В процессе производства невозможно полностью удалить примеси из стали, поэтому они остаются в небольшом процентном содержании во всех углеродистых соединениях. Также их наличие зависит от выбранного метода плавки.

На основании доли углерода в металле принято выделять углеродистую и легированную сталь. Интересующий нас компонент позволяет скорректировать технические и механические характеристики материала.

В стали присутствуют:

железо – в пределах 99 %;
углерод – до 2,14 %;
кремний – не более 1 %;
марганец – до 1 %;
фосфор – максимум 0,6 %;
сера – до 0,5 %.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Также сталь содержит небольшую долю водорода, кислорода, азота.

Для чего нужен углерод в металле? В сталеплавильных процессах он играет такие роли:

Присутствует в большинстве марок стали, поскольку позволяет получить материал с широким диапазоном механических свойств. А именно: влияет на соотношение феррита и перлита в структуре твердого металла, расширяет диапазон температур, при которых железо остается в устойчивом состоянии.
Считается вредной примесью в сталях специального назначения, таких как электротехнические, жаропрочные, стойкие к коррозии, пр.
Забирает на свое окисление основную долю кислорода, вдуваемого в ванну с целью избавления от примесей. Например, в кислородно-конвертерном и мартеновском скрап-рудном процессах уходит более 75–80 % кислорода. Поэтому основной задачей управления окислительным рафинированием считается регулировка удаления углерода в металле.
Является единственной примесью при изготовлении стали, во время окисления которой выделяются газы CO и CO2. Объем последних многократно превосходит объема металла – если говорить точнее, то окисление килограмма углерода при +1 500 °C приводит к образованию более 10 м3 CO. Газ удаляется из ванны в форме пузырей, благодаря чему металл перемешивается со шлаком, возрастает скорость протекания тепло- и массообменных процессов. В результате на плавку уходит меньше времени.
Пузыри оксида углерода проходят через расплав, параллельно избавляя его от газов, неметаллических включений при плавке и вакуумировании.
Реакция окисления углерода сопровождается нагревом ванны, что важно для протекания кислородных процессов. Так, на кислородно-конвертерном этапе обработки металла тепло реакции окисления углерода обеспечивает 20–25 % приходной части теплового баланса плавки. Так сплав достигает температуры выпуска при значительной доле лома в шихте.
От количества углерода в металле и его постоянного окисления зависит содержание кислорода в стали и оксидов железа в шлаке. Окисленность ванны влияет на потери железа со шлаком в виде оксидов, остаточное содержание прочих примесей, угар раскислителей и легирующих добавок, пр.
Благодаря окислению интересующего нас элемента во время затвердевания металла в изложницах удается формировать слитки стали разных видов. Речь идет о кипящем, спокойном и полуспокойном типе данного металла.

Увеличение доли углерода в металле провоцирует такие изменения:

повышение электросопротивления;
увеличение коэрцитивной силы;
ухудшение проницаемости магнитов;
снижение плотности индукции магнитов.

Свойства металла (стали) с разным содержанием углерода

Говоря о том, что такое углерод в металле, важно понимать, что свойства углеродистых сталей определяются сложным молекулярным строением. Структура цементита такова, что каждая ее ячейка имеет форму октаэдра.

Данная особенность обеспечивает ряд таких важных технико-экономических показателей сплавов, как:

высокая прочность, несущая способность;
твердый поверхностный слой в сочетании с мягкой сердцевиной, что объясняется плохой прокаливаемостью – данная характеристика компенсирует хрупкость металла;
большой срок службы, достигающий 50 лет при нормальных условиях, либо применении средств, призванных защитить материал от появления очагов ржавчины;
низкая стоимость технологии выплавки, которая используется с конца XIX века – именно тогда были созданы мартеновские печи.

От количества углерода в металле зависит определенный вид стали:

Низкоуглеродистая сталь имеет в составе до 0,25 % данного компонента, отличается пластичностью, однако легко поддается деформации. Такой металл может обрабатываться в холодном виде либо при высоких температурах.
Среднеуглеродистая сталь содержит 0,3–0,6 % углерода, является пластичной, текучей, имеет средний уровень прочности. Данный процент углерода в металле позволяет использовать его как материал для деталей и конструкции, эксплуатируемых в нормальных условиях.
Высокоуглеродистая сталь предполагает долю углерода в 0,6–2 %. Отличается хорошей стойкостью к износу, низкой вязкостью, а также она прочная и дорогостоящая. Для проведения сварных работ металл необходимо предварительного разогреть до +225 °C.

Стоит отметить, что первые два вида проще поддаются обработке, свариванию.

Каждая марка стали имеет свою сферу применения и отличается от других методом изготовления:

Конструкционные стали

Обладают большой долей углерода в металле, для их производства используются мартеновские печи и специальные конвертеры. В маркировке конструкционных сталей применяют первые три буквы алфавита и цифры. По буквам можно определить принадлежность сплава к определенной группе, тогда как цифровое значение говорит о количестве углерода.

Если в металле присутствует марганец, обозначение дополняется буквой «Г». Группа А разделяет сплавы по механическим характеристиками, Б – по доле примесей, В – сразу по двум показателям. Так, при производстве группы А отталкиваются от необходимых качеств, тогда как в группе Б опираются на соответствие нормам.

Инструментальные стали

Производят в мартеновской или электрической печи, которая стала наиболее распространена в последнее время. Марки сплава имеют различную вязкость, степень раскисления. Кроме того, среди инструментальных сталей принято выделять качественные и высококачественные.

Технология изготовления углеродистых сталей

Зная содержание углерода в металле, важно также понимать, что это позволяет использовать в металлургии различные методы производства углеродистых сталей, для каждого из них используется особое оборудование.

Специалисты выделяют несколько типов печей, применяемых для этих нужд:

конверторные плавильные;
мартеновского типа;
электрические.

Конверторные печи расплавляют все компоненты сплава, после чего смесь проходит обработку техническим кислородом. В горячий металл вносят известь, чтобы удалить присутствующие примеси, превратив их в шлак. Процесс производства сопровождается активным окислением металла, из-за чего выделяется большое количество угара.

Использование конверторных печей для изготовления углеродистых сталей требует установки дополнительных фильтровальных систем, поскольку во время работы образуется много пыли. А монтаж дополнительного оборудования всегда чреват значительными финансовыми затратами.

Однако этот недостаток не мешает конверторному методу активно использоваться на металлургических производствах, так как специалисты ценят его за высокую производительность.

Печи мартеновского типа обеспечивают высокое качество различных марок стали. Здесь производство металла с содержанием углерода состоит из таких этапов:

в отдельный отсек печи загружают чугун, стальной лом, пр.;
металл нагревается до значительной температуры;
составляющие будущего сплава превращаются в однородную горячую массу;
происходит химическая реакция между компонентами в процессе плавления;
готовый металл поступает из печи.

Электрические печи предполагают совершенно иной подход к производству: отличается способ нагрева материалов. Благодаря использованию электричества снижается окисляемость металла в процессе разогрева, из-за чего в сплаве сокращается доля водорода. Это позитивно отражается на структуре и качестве готовой стали.

Области применения углеродистых сталей

Производство деталей машин

Прежде чем приступить к изготовлению определенной детали из углеродистых сталей, оценивают режим ее дальнейшей работы.

Марки металла, в которых содержится малая доля углерода, подходят для изделий, защищенных от серьезных нагрузок, воздействия вибрации, ударов. К таким элементам относятся:

дистанционные кольца;
втулки;
крышки;
колпаки;
маховики;
стаканы для подшипников;
прихваты, планки.

В качестве отдельной категории выделяют сварные каркасные конструкции, корпусные изделия, поскольку в этом случае низкая прочность данного вида сталей компенсируется толщиной несущего сечения. Тогда как податливость материала обработке сваркой обеспечивает более высокий уровень общей технологичности.

Для деталей, которые ожидают большие нагрузки в процессе эксплуатации, выбирают среднеуглеродистые стали для дальнейшей закалки. Либо могут использоваться марки металла с низким содержанием углерода при условии цементации.

Данные требования распространяются на следующие виды продукции:

шкивы ременных передач;
звездочки цепных передач;
зубчатые колеса, шестерни, валы-шестерни;
валы, оси;
шпиндели;
рычаги;
ролики;
штока, поршни цилиндров.

В первую очередь, производят заготовку – на этом этапе осуществляется резка проката, отливка, штамповка или поковка. После чего переходят к механической и температурной стадии.

В конце приступают к доводочным, отделочным операциям при помощи абразива, то есть к шлифовке, хонингованию, притирке, суперфинишированию. Нужно учитывать, что невозможно эффективно обработать незакаленные стали абразивным инструментом, так как процесс сопровождается засаливанием режущих зерен.

Высокоуглеродистые рессорно-пружинные разновидности стали применяют лишь в особых случаях, поскольку такой металл с углеродом в составе предполагает значительно более сложную обработку. Кроме того, любые промахи трудно устранить, например, заварить дефект.

Обычно подобные стали выбирают для навивки спиральных пружин, производства рессор, цанг, направляющих скольжения и прочих элементов, от которых требуется упругость в сочетании с твердостью.

Производство инструмента

Назначение углеродистых инструментальных сталей очевидно уже из названия. Ограничением в их применении является повышенная температура: при превышении +250…+300 °C закаленный металл отпускается, утрачивает прочность, твердость.

Также важно учитывать, что углеродистые стали уступают легированным по функциональности. Ими нельзя резать или давить материалы, имеющие более высокие показатели прочности.

Из-за всех названных особенностей такие металлы используют для изготовления ручного инструмента, позволяющего осуществлять холодную обработку дерева, пластика, мягких цветных металлов.

В производстве задействуются исключительно кованые заготовки, а не литье. Среди проката выбирают упрочненный сортамент, созданный непосредственно для изготовления инструмента.

Далее металл с необходимой долей углерода в составе точат, сверлят, фрезеруют, закаляют, после чего доводят до нужного состояния при помощи абразива. Стоит отметить, что шлифовка является наиболее трудоемким этапом изготовления, так как именно в это время инструменту сообщаются требуемые параметры.

Кроме того, эти операции позволяют удалить с металла поверхностный слой, содержащий дефекты, которые остались после термической обработки.

Производство крепежа

ГОСТ 1759.4-87 содержит в себе требования к механическим свойствам резьбового крепежа. В соответствии с этим документом, болты, винты, шпильки могут изготавливаться из таких углеродистых сталей:

10 и 20 – для классов прочности 3.6, 4.6, 4.8, 5.8 и 6.8, не предполагающих проведение термической обработки;
30, 35, 45 – для классов прочности 5.6 и 6.6 с термической обработкой;
35 – для классов прочности 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9, где термическая обработка является обязательным этапом.

Массовое и крупносерийное производство метизов из металла, в составе которого есть углерод, предполагает использование технологии горячей или холодной штамповки и высадочных автоматов. После чего на заготовки нарезают либо накатывают резьбу.

Если речь идет о мелкой серии, доступен заказ нестандартного крепежа – партия изготавливается на универсальном оборудовании для металлорезки.

Для производства крепежа нередко используют особую группу углеродистых сталей. Речь идет о марках, отличающихся повышенной обрабатываемостью – у них в начале маркировки стоит буква «А». Такие металлы отличаются от всех остальных максимальной однородностью структуры и химического состава по всему объему проката.

Поэтому при обработке на станках-автоматах отсутствует риск перепада нагрузки на инструмент, что обычно возможно из-за разной твердости сплава, присутствия микродефектов в виде неметаллических включений.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Легированная сталь

Сплав, в котором содержится на менее 45 % железа, называют сталью. В обычную, кроме железа, входят углерод и различные примеси. В составе легированной стали есть дополнительные элементы, так называемые легирующие. Они необходимы, чтобы придать материалу различные свойства.

В зависимости от этих добавок легированная сталь получает характеристики, способствующие ее более широкому применению. За счет легирующих элементов она становится устойчивой к внешней среде, повышается пластичность, прочность, появляются качества, которые требуются для решения определенных задач. Разобраться в видах и марках легированной стали, а также ее назначении поможет наша статья.

Отличия легированной стали от углеродистой

В составе легированной стали, помимо обычных примесей, присутствуют дополнительные вещества, позволяющие ей отвечать определенным химическим и физическим требованиям.

Иными словами, речь идет об углеродистых сталях, в которые добавлены легирующие компоненты. Существуют разные степени легирования, однако даже небольшое содержание подобных элементов значительно повышает качественные характеристики металла.

Какая сталь считается легированной? Разница между легированным и нелегированным металлом состоит в химическом составе. В первом, помимо стандартного железа и углерода, есть немало дополнительных компонентов, меняющих свойства. Тогда как в углеродистой или классической стали присутствуют следы случайных примесей – они не способны сильно сказаться на ее характеристиках.

Также легированная сталь отличается от углеродистой такими особенностями, как:

устойчивость к появлению ржавчины, воздействию агрессивных сред;
образование искр при поднесении металла к заточному кругу;
низкая несущая способность;
значительная стоимость производства.

Легирование осуществляют двумя методами:

Металлургическим. Это основной подход, при котором в горячий металл вносятся необходимые компоненты. Далее на производстве устанавливают параметры, при которых химические реакции протекают в ускоренном режиме.
Дополнительным. В этом случае добавки накладываются в виде поверхностного слоя, за счет чего происходит постепенное взаимное проникновение элементов.

Легирующие добавки к стали

В легированные стали добавлены химические элементы, принадлежащие к разным группам таблицы Менделеева.

Легирующие металлы в русскоязычной маркировке легированных сталей обозначаются при помощи кириллицы. С их помощью меняют качества материала:

Никель (Н). Увеличение теплоемкости, вязкости, пластичности, при параллельном снижении хрупкости, что упрощает обработку металла давлением.
Хром (Х). Повышение твердости, сопротивляемости ударам. За счет добавки обеспечивается хорошая защита от ржавчины – именно по этой причине хрома всегда много в нержавеющей стали.
Ниобий (Б). Увеличение сопротивляемости воздействию кислот.
Кобальт (К). Улучшение таких показателей, как стойкость к ударам и высоким температурам.
Медь (Д). Повышение прочности легированной стали, правда, при использовании этого легирующего элемента немного снижается уровень вязкости. Данный компонент обычно вносят для изготовления строительной стали.
Титан (Т) и цирконий (Ц). Сокращение уровня зернистости, так как за счет этих металлов обеспечивается однородная структура, снижается вероятность растрескивания.
Вольфрам (В) и молибден (М). Увеличение прочности при термической обработке, сопротивления коррозии.
Алюминий (Ю). Повышение стойкости к появлению окалины во время воздействия высокой температуры.
Ванадий (Ф). Улучшение структуры, обеспечение более высокой жаропрочности.

Также в легированные стали вносят неметаллические добавки:

Марганец (Г). Снижение вредного влияния серы, фосфора и кислорода.
Кремний (С). Повышение прочности при возможности сохранить вязкость.
Селен (Е). Увеличение текучести, облегчение обработки механическим способом.
Бор (Р). Улучшение микроструктуры, повышение показателей прокаливаемости.
Азот (А). Обеспечение улучшенных механических свойств – этот компонент добавляют в высоколегированные стали.

Виды легированной стали

Существует три основных категории таких сталей, при классификации которых учитывают долю примесей, легирующих добавок.

Низколегированная сталь – в ее составе примерно 2,5% легирующих элементов.
Среднелегированная сталь – включает в себя 2,5–10% легирующих веществ.
Высоколегированная сталь – содержит более 10% интересующих нас добавок, причем их содержание может доходить до 50%.

От доли углерода зависят свойства металла. Если его количество составляет 0,25–2,14%, сталь является углеродистой и классифицируется так:

высокоуглеродистая: 0,6–2%;
среднеуглеродистая: 0,3–0,6%;
низкоуглеродистая: не более 0,25%.

Добавление новых компонентов невозможно без удаления части старых, в противном случае невозможно связывание. Очистка позволяет сократить долю вредных примесей и кислорода. От углерода избавляются выжиганием за счет выпадения карбидов и иных способов. Присадки могут вноситься в любую сталь, однако не всегда такая процедура дает должный результат.

В легированной стали углеродная составляющая обозначается в сотых долях процента. Предусмотрена классификация легированных сталей по общей массе присадок:

низколегированные – до 2,5%;
среднелегированные – 2,5–10%;
высоколегированные – от 10%.

За счет содержания присадок в легированной стали происходят рекристаллизация и образование новой структуры. По форме кристаллической решетки выделяют такие классы сталей:

Ферриты. Магнитны, решетка неустойчива, меняется в результате нагревания, охлаждения, преобразуясь в перлит, сорбит, тростит. В данную группу входят все низколегированные и углеродистые стали.

Обеспечить формирование устойчивых связей удается при помощи снижения доли углерода до 0,15 % и добавления хрома в качестве легирующего компонента.

Аустениты. Характеризуются высоким содержанием никеля, хрома и марганца. За счет своего структурного строения являются жаростойкими, пластичными, не боятся ржавчины. В эту группу входят хромоникелевые нержавеющие стали.

Мартенситы. Охлаждение после закалки приводит к мартенситовому превращению, в результате чего образуются кубические ячейки, составляющие игольчатые либо реечные кристаллы. Металл приобретает память, поэтому способен частично восстанавливаться после деформации.

В такое состояние могут переходить стали, имеющие в составе хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий и иные компоненты, обеспечивающие жаропрочность.

Металлическая кристаллическая решетка организуется в виде фаз – чаще всего присутствуют сразу две фазы. Допустим, могут быть аустенит и феррит. Необходимую фазу увеличивают при помощи присадок и воздействия температурой.

Во время выплавки из руды получают чугун, который рафинируют, то есть очищают от газов, оксидов, иных включений. Кислород удаляют углем, шлаком, марганцем и другими раскислителями – они вызывают образование газов или тяжелых оксидов, выпадающих в осадок.

В процессе обезуглероживания или удаления углерода из легированной стали используют водород и выгорание карбидов, в процессе которого происходит выделение угарного газа и формирование окалины. На данный момент некоторые предприятия используют современные технологии, такие как газокислородное рафинирование.

От результата указанных процедур зависит качество металла. По этому признаку выделяют такие стали:

Обыкновенные, или рядовые. Это самый дешевый материал с содержанием углерода в пределах 0,6%, при этом в металле есть пузырьки воздуха. Чаще всего встречаются такие марки: СтО, Ст3сп, Ст5кп.
Качественные. Сюда относятся спокойные, полуспокойные и кипящие виды, в составе которых есть кислород, азот, водород. При этом в кипящих достигается максимальная концентрация газов. Стали могут быть углеродистыми и легированными марок Ст08кп, Ст10пс, Ст20, 7ХФ, 8ХФ.
Высококачественные. Отличаются сниженным содержанием серы и фосфора – в пределах 0,03 %. Эти стали выплавляют в электропечах без использования угля. Сюда относятся 6ХВ2С, 6Х3ФС.

Особо высококачественные. Металл в горячем виде проходит глубокую очистку от оксидов, сульфидов, неметаллических включений. В итоге в нем остается до 0,01 % серы и 0,025 % фосфора. Речь идет, например, о такой марке, как 30ХГС3-Ш.

Кроме того, существует классификация легированных сталей на основании их назначения:

Конструкционные

Применяются для производства строительных конструкций, нагруженных механизмов.

Виды конструкционных легированных сталей:

Улучшаемые. Выделяются на общем фоне высоким содержанием хрома, обогащены бором, никелем, молибденом, марганцем, используются для термообработки.
Пружинно-рессорные. В них добавлен кремний, кобальт, марганец, бор, титан, применяются при производстве транспорта.
Подшипниковые. Характеризуются повышенной твердостью и стойкостью к износу, всегда имеют в составе хром и минимальное содержание неметаллических добавок.
Теплоустойчивые. Используются при производстве паровых нагревателей.

Инструментальные (режущие и штамповые)

Присадки, добавленные в инструментальные легированные стали, отвечают за повышенную прочность и однородность. Чаще всего металл проходит термообработку и используется для изготовления фрез, резцов, метчиков. Легирование осуществляют хромом, ванадием, титаном и иными компонентами.

Такие стали очень дорогие, быстрорежущие, из-за чего задействуются исключительно в режущих плоскостях. Для измерительных инструментов в металл добавляют хром, вольфрам, марганец, обеспечивая его твердость, неизменность размеров.

Стали с особыми свойствами, а именно нержавеющие, жаропрочные, износостойкие, пр.

Речь идет о значительной группе, металлы в которой обладают разными свойствами:

Высокопрочные – высоколегированные стали с подобранным составом, благодаря которому металл используется для производства ответственных узлов механизмов.
Нержавеющие – включают в себя марганец, хром, подходят для работы в химически агрессивных средах, используются для производства труб.
Износостойкие – отличаются повышенной долей марганца. Из них изготавливают стрелки на железных дорогах, гусеницы, горное оборудование, ковши экскаваторов.

Помимо названных сталей, в данную группу входят жаропрочные, жароустойчивые, магнитные, немагнитные, реостатные, с высоким электросопротивлением.

Современные сплавы представляют собой комплексно-легированные составы, обладающие уникальными характеристиками. Так, сталь 15Х2НМФА призвана обеспечивать на протяжении 100 лет радиационный ресурс реакторной установки, а 17ХНГТ применяют как материал для пружин специального назначения.

Маркировка легированных сталей

Марки обозначают при помощи буквенно-цифровой системы маркировки легированных сталей. Иными словами, каждая марка фиксируется за счет сочетания букв и цифр.

Так, элементы, добавленные в легированную сталь, обозначают буквами русского алфавита, где X – хром, Н – никель, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, Д–медь, Г – марганец, С – кремний, К – кобальт, Ц – цирконий, Р – бор, Б – ниобий.

Буква А в середине марки говорит о содержание азота, а в конце свидетельствует о том, что сталь высококачественная.

У конструкционных сталей по первой паре цифр маркировки можно понять содержание углерода, которое указывается в сотых долях процента.

Когда количество легирующего элемента превышает 1 %, после буквы пишут среднее значение в целых процентах. Если добавлено около 1 % и менее этого компонента, цифра не ставится.

Так, в стали 18ХГТ содержится (в процентах): 0,18 С, 1 Сr, 1 Мn, около 0,1 Тi. Маркировку легированной стали 38ХНЗМФА можно расшифровать как: 0,38 С, 1,2–1,5 Сr; 3 Ni, 0,3–0,4 Мо, 0,1–0,2 V. В 30ХГСА входят: 0,30 С, 0,8–1,1 Сr, 0,9–1,2 Мn, 0,8–1,251. А сталь ОЗХ13АГ19 включает в себя 0,03 С, 13 Сr, 0,2–0,3 N. 19 Мn.

У инструментальных сталей марка начинается с цифры, которая свидетельствует о количестве углерода в десятых долях процента. Эту цифру не пишут при содержании данного компонента от 1 % и выше.

Допустим, в стали 3Х2В8Ф есть 0,3 С, 2 Cr, 8 XV, 0,2–0,5 V. Тогда как маркировка 5ХНМ расшифровывается: 0,5 С, 1 Cr, 1 N1, до 0,3 Мо. А в ХВГ присутствуют 1 С, 1 Cr, 1 ТС, 1 Мn.

Для некоторых групп сталей существуют дополнительные обозначения. Так, в марках автоматных сталей первой идет буква А, в подшипниковых это буква Ш, в быстрорежущих – Р, электротехнических – Э, в магнитно-твердых – Е.

Сферы применения легированной стали

Легированная сталь сегодня активно используется в промышленности. Высокая прочность позволяет использовать ее при производстве оборудования для резки и рубки разных видов металлопроката.

На данный момент легированные стали используются в самых разных сферах, вот часть из них:

инструменты медицинского назначения, в том числе острые режущие предметы;
лезвия;
подшипники, детали, испытывающие высокую радиальную, опорную нагрузку;
резцы, фрезы, сверла, иная оснастка станков в сфере металлообработки;
корпуса для техники и приборов;
нержавеющая посуда, такая как ведра, тазы, пр.;
детали для автомобилестроения.

С точки зрения практического назначения, среди легированных сталей выделяют:

Машиностроительные, применяемые для производства деталей механизмов, конструкций корпуса. Они обязательно подвергаются температурной обработке.
Строительные, их чаще всего используют для изготовления сварных металлических конструкций и лишь в редких случаях подвергают сильному нагреву.

Такая легированная сталь является материалом для трех групп инструментов:

режущих;
измерительных;
штампов.

Из низколегированной стали производят корпуса железнодорожных вагонов, вагонов метро, трамваев, несущих конструкций локомотивов, сельскохозяйственных и прочих полевых машин. Также эта сталь служит материалом инженерных сооружений, функционирующих при переменных динамических нагрузках, сезонных и суточных теплосменах.

Легированные стали могут иметь различные свойства, которые они получают за счет соотношения основных элементов. Однако нужно понимать, чем отличается любая легированная сталь. На общем фоне ее выделяет повышенная прочность и стойкость к формированию ржавчины.

Легированные конструкционные стали

Легированная сталь – это металл со специальными добавками, меняющими как механические, так и физические свойства. Он приобретает качества, которые позволяют использовать материал более широко. Легированные конструкционные стали – это разновидность, предназначенная для производства деталей, механизмов и пр. в машиностроении, строительстве и других сферах.

Данная сталь играет значительную роль в промышленности за счет своих характеристик. Благодаря легирующим добавкам улучшается качество и расширяется спектр свойств. В зависимости от состава и назначения могут быть разные виды материала

Какие особенности, качества, достоинства и недостатки есть у легирующих конструкционных сталей, вы узнаете из нашей статьи.

Свойства и классификация легированных конструкционных сталей

Конструкционными называют группу сталей, используемых при производстве строительных элементов, а также деталей машин, механизмов. Конструкционная легированная сталь изготавливается по ГОСТ 4543-71 и отличается от других металлов хорошей свариваемостью.

Обычно стальные детали проходят термическую обработку. В соответствии с назначением, характером нагрузок, с которыми должно справляться изделие из стали, определяют и требования к прочности, пластичности, ударной вязкости, пределу выносливости, свариваемости, прокаливаемости, прочим свойствам.

По составу, а именно по доле углерода, среди конструкционных легированных сталей выделяют:

низкоуглеродистые с количеством данного элемента не более 0,25 %;
среднеуглеродистые – в пределах 0,25–0,65 % углерода;
высокоуглеродистые – свыше 0,65 %.

От общего содержания легирующих элементов в стали зависит ее категория. Такой металл может быть:

низколегированный – с добавками, составляющими максимум 2,5 %;
среднелегированный – с долей легирующих компонентов до 10 %;
высоколегированный – с 10–50 % добавок.

Свойства легированных конструкционных сталей зависят от их структуры. На основании данного признака принято выделять такие классы:

доэвтектоидные – отличаются избыточным содержанием феррита;
эвтектоидные – обладают перлитной структурой;
заэвтектоидные – имеют в структуре вторичные карбиды;
ледебуритные – характеризуются первичными карбидами в составе.

По химическому составу сталь бывает:

качественная;
высококачественная – маркируется при помощи буквы «А»;
особо высококачественная – имеет обозначение «Ш» и изготавливается методом электрошлаковой переплавки металла.

Прокат из легированной конструкционной стали бывает кованый, горячекатаный, с особой отделкой поверхности, а также калиброванный.

Также выделяют разные виды стальных изделий, исходя из использования термической обработки:

без термической обработки;
с термической обработкой,
нагартованная продукция, то есть изготовленная методом проката.

При наличии обработки сталь маркируется буквами «ТО», на нагартованной ставят букву «Н».

Легированную конструкционную сталь делят на углеродистую и низколегированную повышенной прочности. В составе последней присутствует не более 5 % легирующих веществ. Такие металлы подходят для строительства мостов и изготовления каркасов высотных зданий.

В сфере машиностроения конструкционную сталь делят на категории, исходя из таких признаков:

По химическому составу она может быть углеродистая и легированная, то есть хромистая, хромоникелевая, пр.
По методу изготовления данный материал бывает деформируемый и литейный.
По условиям работы выделяют конструкционный, жаропрочный, нержавеющий и износостойкий металл.
По доле углерода сталь делят на низкоуглеродистую цементуемую с содержанием углерода в пределах 0,1–0,25 % и улучшаемую с 0,25–0,45 % данного компонента. Для пружин, рессор необходим металл с 0,5–0,65 % углерода.
По степени легированности сталь может быть низко-, средне- и высоколегированная и иметь в своем составе соответственно не более 5 %, от 5 % до 10 % или более 10 % легирующих веществ.

Детали из легированной конструкционной стали после изготовления обычно отправляют на термическую обработку. При проведении дополнительных процедур учитывают назначение изделий, а также нагрузки, которым они будут подвержены.

На основании данных характеристик устанавливают требования к прочности, пластичности, ударной вязкости, выносливости, свариваемости, прокаливаемости, пр.

Легирующие компоненты конструкционной стали

Поскольку конструкции и механизмы должны отвечать строгим нормам по прочности, для их изготовления выбирают материалы с определенными характеристиками.

Например, используется легированная конструкционная сталь, так как обладает подходящими физическими, химическими, механическими свойствами. Она хорошо справляется с постоянными и переменными нагрузками, имеет определенную стойкость к износу и появлению ржавчины.

Легирование позволяет при необходимости усилить и добавить новые качества данному материалу.

Обычный металл состоит из железа, углерода и примесей, в процессе легирования в него вносят дополнительные вещества. Речь идет о ниобии, хроме, никеле, кремнии, ванадии, пр. Также достаточно часто добавляют алюминий, молибден. Для повышения прочностных характеристик сплава используется титан.

Отдельные химические элементы, например, медь и кремний, присутствующие в обычных и конструкционных сталях, можно обозначить как легирующие. Кроме того, в подобном металле обычно есть сера и фосфор.

Однако специалисты уверены, что речь идет о примесях, а не легирующих компонентах. Примесь всегда связана с чистотой исходника либо особенностями процессов плавки. В первом случае в стали обнаруживается марганец, во втором – сера, фосфор.

Иными словами, металл, выплавленный без меди, серы, фосфора, ничем не отличается по своим свойствам от образца, где они присутствуют. Легирование же направлено на улучшение определенных технических показателей.

В конструкционной стали присутствует железо, медь, марганец и ряд других компонентов, среди которых основная функция принадлежит углероду. Этот элемент наделяет металл определенным уровнем прочности и придает наиболее важные свойства.

От доли углерода в легированной конструкционной стали зависит:

хладноломкость;
стойкость к внешним факторам, нагрузкам.

Конструкционные сплавы делят на классы на основании состава: чем выше содержание серы и фосфора, тем ниже порог хладноломкости и красноломкости сплава. С точки зрения количества данных компонентов, стали бывают таких видов:

обыкновенного качества – не более 0,05 % примесей;
качественные – в пределах 0,035 %;
высококачественные – до 0,025 %;
особо качественные – максимум 0,015 %.

Легированные конструкционные стали имеют высокую прочность, так как в большинстве случаев подвергаются специальной термообработке. Благодаря легированию марганцем металлу обеспечивается цементирующий эффект, способность выдерживать большие нагрузки.

Подобные сплавы выбирают для изготовления наиболее ответственных частей конструкций. Однако превышение допустимого содержания добавок приводит к ухудшению свойств материала – у него повышается хрупкость.

Преимущества и недостатки легированной конструкционной стали

Чтобы сообщить металлу набор необходимых свойств, его подвергают термической обработке. В результате легированная конструкционная сталь приобретает такие качества:

стойкость к пластическим деформациям;
способность к сильному прокаливанию;
стойкость к трещинам, короблению, что достигается при помощи применения мягких охладителей в процессе температурной обработки;
оптимальный запас вязкости;
высокий уровень хладноломкости.

Благодаря этому конечное изделие из легированной конструкционной стали имеет следующие характеристики:

надежность и долговечность, благодаря чему удается значительно повысить производительность оборудования;
стойкость к появлению ржавчины, воздействию агрессивной среды, например, кислот, щелочей, повышенной влажности, резких перепадов температуры;
экономичность;
стойкость к износу;
хорошая прокаливаемость;
высокие технологические показатели.

Однако легированные конструкционные стали имеют и минусы:

склонность к обратимой отпускной хрупкости;
повышенный уровень мягкости в результате термообработки;
утрата однородности в области деформирования.

Легирование конструкционных сталей призвано обеспечить улучшенные механические характеристики, такие как прочность, пластичность.

Параллельно при внесении добавок изменяются физические, химические, эксплуатационные качества. Кроме того, нужно учитывать, что из-за легирующих компонентов возрастает стоимость сплава. А значит, для их добавления требуется веская причина.

Как влияет содержание углерода на свойства сталей

Содержание углерода и легирующих элементов определяет свойства углеродистых сталей. Состав сплава содержит железо, углерод, магний, кремний, марганец, серу и фосфор. Количество одного компонента по отношению к общей массе определяет вязкость, пластичность, прочность и твердость металла. Углеродистые стали классифицируют по химическому составу, способу изготовления, назначению и степени раскисления. Металлопрокат производят из разных марок стали. Компания «Стальмет» продает металлопродукцию из углеродистых сталей, соответствующих ГОСТу 380-2005 и 1050-2005.

Состав стали с углеродом

Технология производства не полностью удаляет примеси из стали. Они занимают малую процентную долю, но присутствуют во всех углеродистых сталях. Содержание углерода разделяет сталь на углеродистую и легированную. Углерод добавляют намеренно, чтобы изменить технические характеристики и механические свойства сталей. Наличие примесей зависит от выбранной плавки сталей. Процентное содержание разных элементов в составе стали:

железо — до 99 %;
углерод — до 2,14 %;
кремний — до 1 %;
марганец — до 1 %;
фосфор — до 0,6 %;
сера — до 0,5 %.

Сталь содержит незначительное количество водорода, кислорода и азота.

Какие свойства у стали с разным содержанием углерода?

Механические свойства стали зависят от количества углерода. Увеличение или снижение содержания углерода, даже в сотых долях процента, предопределяет сферу применения металла. Структура углеродистой стали меняется от содержания цементита и феррита. Когда в сталь добавляют больше углерода, сплав становится твердым, прочным и упругим. Когда уменьшают, улучшают ее пластичность и сопротивление удару.

В зависимости от того, сколько углерода в составе сплава, различают несколько видов стали:

Низкоуглеродистые содержат меньше 0,25 % углерода. Пластичные, но легко деформируемые. Обрабатываются в холодном состоянии и под действием высокой температуры.
Среднеуглеродистые — 0,3-0,6 %. Пластичные, текучие и среднепрочные. Из них изготавливают детали и конструкции, которые будут использовать в нормальных условиях.
Высокоуглеродистые — 0,6-2 %. Износостойкие, прочные и дорогие углеродистые стали с низкой вязкостью. Плохо поддаются сварке без предварительного разогрева обрабатываемой зоны до +225оС.

Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали обрабатывать и варить проще, чем высокоуглеродистые.

Виды углеродистой стали по степени раскисления

У углеродистой стали разная степень раскисления. Бывают спокойные, кипящие и полуспокойные сплавы. Названия связаны с содержанием вредных примесей — оксидом железа. Чем меньше кислорода в сплаве, тем стабильнее и долговечнее стали. После разливки сталь выделяет газы и затвердевает.

В спокойных сталях кислород удален почти полностью, поэтому у них однородная структура и равномерное распределение состава. Полуспокойные чаще содержат 0,15-0,3 % углерода. Таким сталям свойственна неравномерная структура из-за частичного раскисления сплава. Больше всего кислорода у кипящих сталей. Такое раскисление приводит к разному химическому составу. В кипящих сталях много примесей: углерода, азота, серы и фосфора.

Чем отличаются инструментальные и конструкционные стали?

Сфера применения и способ изготовления — главные отличия сталей. Конструкционные углеродистые стали выплавляют в конвертерах и мартеновских печах. Они бывают высокого и обыкновенного качества. Их разделяют на группы А, Б и В. Маркируют соответственно буквами и цифрами. В обозначении буква говорит о группе стали, а цифры указывают на содержание углерода, увеличенное в 100 раз. Чем больше значение, тем прочнее сталь. Стали обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца маркируются буквой «Г».

Сталь группы А поставляют по механическим свойствам, группы Б — по химическому составу, группы В — по механическим свойствам и химическому составу. Это означает, что сталь группы А обладает заявленными свойствами, а сталь группы Б отвечает нормативной документации.

Углеродистую инструментальную сталь выплавляют в мартеновской или электрической печи. Она бывает спокойной, полуспокойной и кипящей. Ее разделяют на качественную и высококачественную сталь. Доля примесей в качественной инструментальной стали регламентирована: серы должно быть не более 0,4 %, фосфора — не больше 0,6 %. Цифра в маркировке говорит о содержании углерода в сотых долях. Также она обозначает условный номер марки материала.

Сферы применения углеродистых сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества используют для изготовления двутавра, уголка, швеллера, прута, листа и другого проката. В производстве инструментов и деталей для разных областей машиностроения применяют углеродистую сталь высокого качества.

Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

Читайте также: