Низкоуглеродистая сталь содержит углерода

Обновлено: 05.05.2024

Сталь – это сплав железа с углеродом, процент содержания последнего при этом не должно превышать 2,14%. Все что выше этого значения – уже чугун. Низкоуглеродистая сталь отличается пониженным содержанием углерода, что откладывает свой отпечаток как на механические, так технологические свойства.

Существует несколько стандартов, которые регулируют состав углеродистых сплавов. Среди них наиболее востребованы ГОСТ 380-2005 и ГОСТ 1050-90. Согласно им низкоуглеродистой может называться сталь, которая включает в себя:

Углерод (до 0,25%). Он позволяет термически упрочнять сталь, в результате чего твердость и временное сопротивление металла может увеличиться в несколько раз.
Кремний (до 0,35%) Он улучшает механические характеристики, особенно, это касается ударной вязкости и прочности. Также увеличение кремния в сплаве положительно сказывается на свариваемости.
Марганец (до 0,8%) относится к группе полезных примесей. По своему молекулярному строению схож с кислородом и активно вступает с ним химическую связь, что препятствует образованию оксида железа. Сталь, легированная марганцем, более однородна по составу, лучше справляется с динамическими нагрузками, становиться податливей к термическому упрочнению.
Сера (до 0,06%) – вредная примесь. Делает металл красноломким, усложняет обработку давлением: ковкой, прокаткой и т.д. Снижает плотность сварного шва. Повышает отпускную хрупкость.
Фосфор (до 0,08%) ответственен за появление хладноломкости. Искажает кристаллическую структуру стали. Снижает ее ударную вязкость. Ухудшает прочность и выносливость металла. Но не всегда фосфор является вредной примесью. В некоторых случаях его добавление оправдано, т.к. он увеличивает податливость металла резанию. Но все равно, общее количество его не должно превышать 0,1%.
Кислород – самый нежелательный элемент в составе стали. Введение 0,001% кислорода способно снизить прочность металла на 50%. Препятствует обработки сплава режущим инструментом.
Азот. После попадания его в металл, образует нитриды железа – очень хрупкое соединение, которое снижают как прочностные, так и технологические свойства сплава.

Сферы применения

Область использования низкоуглеродистой стали достаточна широка и зависит от маркировки:

Ст 0, 1, 3Гсп. Широкое применение в строительстве. Например, проволока арматурная из низкоуглеродистой стали,
05кп, 08, 08кп, 08ю. Хороша для штамповки и холодной вытяжки (высокая пластичность). Применяются в автомобилестроении: кузовные детали, топливные баки, змеевики, части сварных конструкций.
10, 15. Применяются для деталей, не подвергающихся высоким нагрузкам. Трубы для котлов, штамповки, муфты, болты, винты.
18кп. Характерное применение – конструкции, которые производят с помощью сварочных работ.
20, 25. Широко используется для производства крепежных материалов. Соединительные муфты, толкатели клапанов, рамы и другие детали сельскохозяйственных машин.
30, 35. Оси, на которые идет малая нагрузка, звездочки, шестерни и т. д.
40, 45, 50. Детали, испытывающие средние нагрузки. Например, коленчатые валы, фрикционные диски.
60-85. Детали, подвергающиеся высокой нагрузке. Это могут быть рельсы для железной дороги, колеса для кранов, рессоры, шайбы.

Как видно, производимый ассортимент обширен – это не только проволока низкоуглеродистой стали. Также это детали сложных механизмов.

Особенности низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистая сталь по сравнению с другими сталями крайне пластична. Их относительно удельное сопротивление на сжатие составляет 23-35% в зависимости от процента содержания углерода в составе. Чем его больше, тем пластичность ниже.

Все марки низкоуглеродистых сталей имеют первую категорию свариваемости.

Процесс сварки не требует сложных подготовительных операций: прогрева поверхности, обезжиривания и т.д. Сварной шов получается плотным, при работе на сжатие по прочности сравним с цельным металлом. Пониженная углеродистая сталь поддается всем видам сварки: от обычной электродуговой до вакуумной в среде инертных газов.

Низкоуглеродистая сталь не обладает повышенными прочностными характеристиками. Временное сопротивление на разрыв для нее колеблется в пределах 320-450 МПа. То же самое можно сказать относительно твердости. Без дополнительного упрочнения твердость стали составляет 22-23 единиц по шкале Роквелла.

Низкоуглеродистые марки не поддаются закалке в силу малого содержания углерода в составе. Среди немногочисленных вариантов улучшения сталям своих механических свойства выделяют цементацию. Это разновидность химико-термического упрочнения, при котором поверхность металла принудительно насыщают углеродом, что делает металл более твердым и износостойким. Помимо этого, в качестве механического упрочнения хорошо зарекомендовали себя разного рода наклепы, обкатка роликами и прочее.

Среднеуглеродистые

Из-за большого количества углерода соединение таких деталей осложняется. В результатах работы это выражается в том, что металл детали и сварного стыка может быть различной прочности. Помимо этого вблизи кромок шва могут образовываться трещины и очаги с ярко выраженной хрупкостью материала.

Чтобы избежать указанных недостатков, применяют электроды, в составе материала которых содержится низкое количество углерода.

При повышении тока, необходимом для разогрева соединяемых деталей, возможно проплавление основного металла. Чтобы исключить подобные случаи, производится разделка кромок соединяемых деталей.

Еще одним мероприятием по повышению качества соединения является предварительный разогрев и постоянный подогрев деталей в процессе. При сваривании сталей полуавтоматом для повышения качества шва лучше осуществлять движения электродом не поперек, а вдоль стыка деталей и использовать короткую дугу. Для работы применяют электроды марок УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, ОЗС-2, К-5а.

При использовании ацетилена для сварки среднеуглеродистых сталей добиваются такого пламени горелки, при котором расход газа составит 75-100 дм³/ч. Для изделий, имеющих толщину 3 миллиметра и более, применяется общий подогрев до 250-300 °C или местный до 600-650 °C.

После сварки шов проковывают и подвергают термической обработке. Для сварки изделий из металла с количеством углерода, близким по содержанию к высокоуглеродистым сталям, используют специальный флюс.

Классификация и марки

Существует несколько основных критериев по которым подразделяются углеродистые марки. Одним из самых важных среди них являются условия проведения раскисления. Выделяют следующие низкоуглеродистые стали:

Спокойные. Включает минимальное содержание в составе окиси железа, что делает процесс выплавки «спокойным» – без бурного выделения углекислоты с зеркала металла. Возможным это стало благодаря введению раскислителей: алюминий, марганец и кремний. Все выходящие газы скапливаются в усадочной раковине, которая впоследствии обрубается, что в результате дает плотный и однородный металл.
Кипящие. Раскисляются одним марганцем. Имеют увеличенное количество оксида железа в составе. Процесс плавки сопровождается выделением углекислого газа, что создает впечатление будто металл кипит. Эти стали менее прочны и менее однородны по химическому составу, но при этом стоят дешево и имеют низкий процент отходов в производстве.
Полуспокойные. Помимо марганца для удаления кислорода дополнительно применяют алюминий. По характеристикам эта углеродистая сталь представляет собой что-то среднее между кипящими и спокойными сплавами.

Помимо степени раскисления низкоуглеродистые марки также классифицируются по наличию неметаллических включений в своем составе. Исходя из этого они различаются на:

Обыкновенного качества;
Качественные машиностроительные.

Рассмотрим каждый пункт более подробно.

Стали обыкновенного качества. К ним не предъявляются строгие требования как к выбору шихты, так и к плавке и разливке. Фосфора в них допускается не более 0,08%, а серы не более 0,06%. Разливают такой сплав в крупногабаритные слитки, поэтому для них характерно появление зональной ликвации.

Способы получения

Выделяют следующие низкоуглеродистые стали в зависимости от способа выплавки:

Конверторные печи. Металл плавиться за счет химической теплоты экзотермических реакций. Удаление излишнего углерода происходят при продувке кислорода сквозь зеркало металла. Плюсом такого способа является высокая производительность. Минусом – повышенная концентрация азота на выходе.
Мартеновские печи. В рабочей камере сжигается жидкое топливо. Необходимая температура плавки достигается за счет теплоты отходящих газов. При таком способе сплав получается более раскисленным и с меньшим содержанием неметаллических примесей.
Электропечи. Обладают более совершенным способом выплавки. Все качественные марки низкоуглеродистой стали выплавляются только таким методом.Достоинством здесь выступает простота регулировки теплового режима и возможность использования шлаков и флюсов. Минус – значительные затраты электроэнергии.

Низкоуглеродистая сталь в большей степени востребована машиностроением и, особенно, строительством. Именно эти отрасли обеспечивают ее постоянным спросом вот уже на протяжении нескольких десятков лет. И ссудя по обширно обустраивающимся городам и развивающейся промышленности потребность в углеродистой стали будет только увеличиваться.

Низкоуглеродистая сталь – марка

Низкоуглеродистые стали марок 20, ВМСтЗсп, С75, APS 10M4, 18X1ПМФ имеют хорошую стойкость к статической водородной усталости. [1]

Низкоуглеродистые стали марок 08, 08кп, 08пс относятся к мягким сталям, применяемым чаще всего в отожженном состоянии для изготовления деталей методом холодной штамповки – глубокой вытяжки. Стали марок 10, 15, 20, 25 обычно используют как цементуемые, а высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 в основном применяют для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью. Среднеуглеродистые стали 30 35 40 45 50 и аналогичные стали с повышенным содержанием марганца ЗОГ, 40Г, 50Г применяют для изготовления самых разнообразных деталей машин. [2]

Зубчатые колеса низкоуглеродистых сталей марок Ст20, Ст20Г подвергаются цементации. При этом поверхностные слои детали насыщаются углеродом за счет применения твердых, жидких или газообразных науглероживающих сред. В результате последующей закалки высокую твердость получают только науглероженные слои, а внутренние слои сохраняют свою начальную вязкость, так как содержание углерода в них при цементации не изменилось. Твердость закаленного цементированного слоя для зубчатых колес принимается в пределах 40 – 50 HRC при толщине 2 5 – 4 мм. [3]

Измерить твердость образца низкоуглеродистой стали марки 10 и на основании известных закономерностей между твердостью и прочностными свойствами определить примерно предел прочности и предел текучести исследованной стали. [4]

Корпусы регенераторов изготавливают из низкоуглеродистых сталей марок Ст . [5]

Чистое железо марки СО-1, низкоуглеродистые стали марок ЭП620, ЭП355 и 03 производятся в виде прутков различного размера и применяются в качестве шихтовой заготовки при выплавке сплавов специального назначения. Магнитные свойства рассмотренных сталей соответствующими техническими условиями не оговариваются, и, хотя содержание углерода и других примесей в этих сталях значительно меньше, чем в сталях Э, ЭА; ЭАА и Э12, Э10, Э8, они не имеют больших преимуществ по магнитным свойствам вследствие большого содержания кислорода. [6]

Подавляющее количество труб прокатывают из низкоуглеродистых сталей марок 10 – 45 и Ст. [7]

Для повышения прочности и улучшения обрабатываемости низкоуглеродистая сталь марок 05, 08 и 10 подвергается нормализации с температуры 930 – 950 С. [8]

Наибольшее применение для изготовления-сварных конструкций находят низкоуглеродистые стали марок Ст . [9]

При изготовлении сварных конструкций чаще всего применяют низкоуглеродистые стали марок Ст . Вопросы технологии сварки их были подробно разобраны выше. Особых трудностей при сварке этих сталей не возникает. Автоматическую сварку низкоуглеродистых сталей выполняют электродной проволокой Св-08 или Св – 08А в сочетании с флюсами АН-348А или ОСЦ-45. Последующей термической обработки сварных соединений при сварке сталей толщиной до 30 – 40 мм не требуется. [10]

Нержавейка

Чаще всего нержавеющие стали, используемые в промышленности, получают свои антикоррозийные свойства посредством введения легирующих добавок – хрома и никеля.

При сварке хромированных деталей необходимо учитывать, что при высокой температуре (более 500 °C), возможно окисление стыка деталей.

Чтобы избежать этого применяют аргонодуговую сварку, или TIG-сварку (ТИГ). Такая технология предусматривает осуществление сварочных операций без доступа воздуха непосредственно к зоне сварки. Соответственно отсутствие кислорода, наличие которого в воздухе обязательно, устраняет предпосылки к окислению материала.

Ограничение доступа воздуха осуществляется путем введения в зону сварки аргона, инертного газа, который будучи тяжелее воздуха, вытесняет его. Иногда такой способ называют сваркой стали аргоном. На самом деле сталь либо просто сваривается между собой дугой, либо с помощью присадочного материала.

Для аргонодуговой сварки требуется специальное оборудование. Работы ведутся неплавящимися вольфрамовыми электродами, требования к которым определяются ГОСТ 10052-75.

Вторая проблема заключается в следующем. Нержавеющие стали имеют высокий коэффициент температурного расширения, и при сварке листовой стали, когда стык имеет большую длину в сравнении с линейными размерами детали, в процессе остывания возможно искривление сварочного шва.

Проблема решается путем выставления зазоров между листами и применением прихваток, фиксирующих детали в нужном положении.

Сталь низкоуглеродистая и ее основные характеристики

Сталь низкоуглеродистая – это сплав, не содержащий легируемых элементов, имеющий примеси и малое содержание углерода, до 0,25%. В составе данного сплава присутствуют марганец и кремний, однако в силу малого процентного содержания (марганец – не больше 1%, кремний – не выше 0,8%), не оказывают ощутимого легирующего воздействия на материал. Сталь низкоуглеродистая отличается мягкостью и малым содержанием марганца.

Этот сплав из-за своей мягкости не позволяет точно обрабатывать поверхности, однако его мягкость, вязкость и пластичность дают возможность создавать цементируемые заготовки и детали для последующей сварки/цементации. Обрабатываемость сплава очень плохая, поверхность обрабатываемой детали имеет много шероховатостей. Выполнение точной обработки достаточно затруднительное.

Свойства низкоуглеродистой стали

Свойства низкоуглеродистой стали не имеют высоких показателей прочности. Пластичность и вязкость напротив — высокие. Марки низкоуглеродистой стали иногда предназначаются для изготовления цементуемых изделий, которые нуждаются в дополнительной цементации для достижения необходимой твердости и придания им износоустойчивости посредством дальнейшей обработки. Изделия из такой стали достаточно хорошо свариваются и куются.

Свойства низколегированной стали не позволяют выполнять полноценные работы с этим металлом. Однако, если провести процесс нормализации и холодного волочения, значительно можно увеличить обрабатываемость поверхности. Благодаря хорошей пластичности (5 = 33…23%), низкоуглеродистые стали можно успешно подвергать холодной деформации, при этом не теряются механические свойства, так как местное перенапряжение равномерно распределяется и трещины не образуются. Такая сталь слабо поддается закаливанию и хорошо сваривается.

Свойства низкоуглеродистой стали имеют ряд недостатков:

низкая прочность Те = 330…460 МПа, Сто,2 = 200…280МПа;
малая ударная вязкость;
очень чувствительная к механическому старению, так как при повторных нагрузках она чувствует концентрацию напряжения, поэтому из нее не изготавливают изделия, подвергающиеся повторным нагрузкам.

Выпускаемые изделия

Можно выделить несколько групп стальной продукции:

К этому перечню добавляют вторичные профили, которые образуются за счет сварных работ и механической обработки.

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:

заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
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:

низкоуглеродистая (до 0,29 %);
среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
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.

Все о низкоуглеродистой стали

Низкоуглеродистая сталь получила широкое распространение в промышленной и строительной отраслях. Её высокая популярность связана с физико-химическими характеристиками и доступной ценой. Сегодня подробнее поговорим об этом сплаве.

Что это такое?

Сплав железа с углеродом получил название «углеродистая сталь». Включение углеродных компонентов позволяет многократно усилить жесткость готового материала. Эта сталь обладает прочностью и твердостью, но при этом утрачивает свою пластичность. Варьируя количество углерода, можно модулировать свойства металла в соответствии с технической необходимостью. Минимальная концентрация этого элемента в сплаве не превышает уровня в 0,25% — такие составы классифицируются как малоуглеродистые. Низкоуглеродистые стали не изменяются при закалке.

Благодаря пластичности и мягкости их швы с легкостью свариваются сваркой любых типов. К тому же заготовки могут обрабатываться ковкой.

В соответствии с действующими ГОСТ 3800-2005 и 1050-9, помимо железа и углерода, структура низкоуглеродистой стали может включать дополнительные компоненты.

Кремний — до 0,3%, повышает физико-механические параметры, особенно прочность, а также ударную вязкость. Повышение концентрации кремния в составе способствует лучшей свариваемости материала.
Марганец — до 0,8%, относится к категории полезных добавок. Молекулярное строение марганца напоминает кислород, поэтому он вступает с ним в химическую реакцию и тем самым препятствует формированию окислов железа, то есть ржавчины. Сплавы, подвергнутые легированию марганцем, легче справляются с высокими динамическими нагрузками и проявляют податливость к тепловому воздействию.
Сера — до 0,6%, это вредная примесь. Она существенно усложняет обработку сплава прокаткой, ковкой и другими техниками. К тому же материал получается красноломким и плотным, сера ухудшает параметры отпускной хрупкости и понижает плотность сварного шва.
Фосфор — до 0,08%, способен искажать кристаллическую структуру связей. Добавка уменьшает выносливость и плотность металла, понижает параметры ударной вязкости. В отдельных случаях включение такой примеси оправдано, поскольку фосфор способствует повышению податливости металлических изделий резанию. Но даже в этом случае его доля не должна превышать 0,1%, иначе происходят нежелательные изменения структуры.
Кислород — самая вредная добавка, нежелательный элемент в составе любого металлического сплава. Введение всего лишь 0,001% кислорода может вызвать уменьшение прочности стали на 50%. К тому же кислород препятствует резанию материала.
Азот — при включении в сплав формирует нитриты железа. Это довольно хрупкое соединение, которое способно вызвать ухудшение технологических и прочностных характеристик металла.

Из-за своей мягкости низкоуглеродистая сталь не позволяет выполнять точную обработку поверхностей. Однако благодаря вязкости и пластичности материал можно включать в производственный цикл по созданию цементируемых заготовок и элементов для дальнейшей сварки.

Обрабатываемость такой стали низка — поверхности содержат много шероховатостей.

Основные свойства

Основное свойство низкоуглеродистой стали — это пониженный предел прочности, при этом вязкость и пластичность материала, напротив, довольно высоки. Некоторые марки такой стали могут использоваться для создания цементируемых конструкций, которые требуют дополнительной герметизации с целью получения определённой степени твердости и придания заготовкам стойкости к износу в результате дальнейшей обработки. Именно поэтому изделия из низкоуглеродистой стали хорошо куются и легко свариваются.

Технико-эксплуатационные характеристики такого сплава не позволяют проводить с ним полноценную обработку. Однако если воспользоваться техникой холодного волочения и нормализации — можно оптимизировать структуру материала и улучшить параметры обрабатываемости металлической поверхности. Благодаря пластичности низкоуглеродистые составы успешно подвергаются холодной деформации, не утрачивая при этом своих технико-механических характеристик. Это связано с тем, что локальное перенапряжение распределяется по всей поверхности равномерно и предотвращает растрескивание. Такую сталь можно подвергать сварке и закаливанию.

В то же время, в соответствии с диаграммой растяжения, низкоуглеродистые сплавы имеют свои недостатки:

пониженная прочность Те = от 330 до 460 мПа, Сто, 2 = от 200 до 280 мПа;
низкая ударная вязкость;
высокая чувствительность к механическому старению металла.

При любых, даже минимальных поворотных нагрузках, низкоуглеродистая сталь ощущает концентрацию напряжения. Именно поэтому изделия, подвергающиеся подобным воздействиям, из нее не изготавливают.

По качеству

По качественному признаку выделяют два типа стали.

Обыкновенного качества — к подобному сплаву не предъявляют жестких требований, это относится и к шихте, и к процессам плавки. Присутствие фосфора в таком материале не должно выходить за отметку 0,08%, серы — 0,06%. Этот материал разливают в габаритные слитки, потому для них типично возникновение зональной ликвации.
Качественная машиностроительная — такие стали выполняются в жестких условиях. Их отличает минимальное присутствие вредных примесей, доля серы и фосфора не должна подниматься выше уровня в 0,04%. Обычно такой материал маркируется словом «сталь», а также цифрами, которые обозначают долю карбидов, измеренную в сотых долях процентов.

Так сталь 08 и 10 широко востребована в ответственных узлах машино- и станкостроения. Из нее выполняют прокладки, втулки, змеевики и другие элементы. Перед работой такие детали в обязательном порядке подвергают термохимическому отверждению, чаще всего цементации. Сталь 15, 20 и 25 востребована для создания работающих на износ узлов, которые не связаны с повышенными механическими нагрузками — толкатели, клапаны, всевозможные рычаги и шестерни.

По способу получения

Цикл производства низкоуглеродистой стали состоит из нескольких шагов:

погрузка чугуна и лома в печь;
термовоздействие до достижения плавления;
удаление вредных добавок.

Далее производится дополнительная обработка инертными газами либо вакуумом. Если необходимости в ней как таковой нет, то выполняется разливка стали.

Выделяют три основных технологии создания низкоуглеродистой стали.

Мартеновские печи — наиболее распространённый метод получения сплава. В данном случае плавка производится на протяжении нескольких часов. Столь длительный период работы позволяет контролировать качество получаемого металлического состава.
Конвекторные печи — подобный сплав получается благодаря подведению кислорода. Полученные подобным методом материалы содержат значительную долю примесей, потому не могут похвастаться высоким качеством.
Электрические и индукционные печи — в процессе производства таких сталей используется шланг. На выходе получаются специализированные сплавы самого высокого качества.

По условиям проведения раскисления

По данному критерию все типы низкоуглеродистых сплавов разделяются на три категории.

Спокойные — содержат минимальную концентрацию оксидов железа, благодаря чему выплавка производится без интенсивного выделения углекислоты. Такая реакция достигается за счёт введения в структуру стали марганца, кремния и алюминия, выполняющих роль раскислителя. В результате все выделяющиеся газообразные вещества накапливаются в осадочной раковине. Это позволяет получить плотный металл с однородной структурой.
Кипящие — такие сплавы раскисляются только марганцем. Для них типична повышенная концентрация окислов железа в структуре. Плавка сопровождается активным выделением углекислоты, благодаря чему складывается впечатление, словно металл кипит. Эти сплавы имеют менее однородный состав, их прочность невысока, но при этом и цена их на порядок ниже остальных.
Полуспокойные — для нейтрализации кислорода в состав подобных сплавов включают марганец и алюминий. Этот сплав по своим эксплуатационным характеристикам представляет «золотую середину» между спокойным и кипящим составами.

Марки и сферы применения

Маркировка малоуглеродистой стали включает набор букв и цифр. Буквенное обозначение представлено символами «СТ» — первые две буквы от слова «сталь». Следующее за ним числовое значение нужно разделить на 100. Получившееся частное укажет на процентную долю углерода в структуре. К примеру, маркировка СТ20 означает, что в этом составе содержится 0,2% углерода. Для справки: В некоторых случаях обозначение «СТ» не используют.

Далее идет кп/пс — они указывают на кипящий либо полуспокойной сплав. Если подобное обозначение отсутствует, это значит, что сталь спокойная. Следом идут буквы и числовые обозначения, которое указывают на присутствие добавок и их концентрацию. Так, Г – марганец, Ю – алюминий, Ф – ванадий. Также может использоваться цветовой маркер. Низкоуглеродистый сплав 10 часто имеет выраженный белый колер. Для сталей специализированного назначения используются дополнительные символы: К — востребована в производстве котлов; ОсВ – востребована при создании вагонных осей и подобных изделий.

С учетом маркировки варьируется и направление применения сталей.

05кп, 08, 08кп, 08ю — нужны для производства арматурной проволоки. Этот материал проявляет высокую эластичность, благодаря чему нашел применение в холодной вытяжке и штамповании. Из него изготавливают также некоторые топливные котлы, змеевики, фрагменты сварных конструкций и кузовные детали для автомобилестроения.
10 и 15 — востребованы для создания заготовок изделий, не подвергающихся повышенным нагрузкам. Это бывает штамповка, болты, винты, муфты и трубы для котлов.
18кп — применяется при производстве конструкций методом сварки.
20 и 25 — получили распространение при создании крепежей, в частности клапанов, толкателей и прочих элементов сельхозтехники.
30-35 — идут на создание звёздочек, шестерней и других осей, испытывающих низкие нагрузки.
40, 45 и 50 — подходят для элементов, которые в ходе эксплуатации сталкиваются с нагрузками средней величины. Сюда относятся фрикционные диски и коленвалы.
60-85 — такие стали подвергаются самой сильной нагрузке. Из них делают рессоры, колёса для кранов и даже рельсы для нужд железной дороги.

Таким образом, ассортимент продукции, изготавливаемой из малоуглеродистой стали, очень обширен — начиная от простой проволоки до сложных механизмов.

Сварка

Сварка низкоуглеродистых сплавов имеет свои особенности. Так, электроды, их размеры и техника сваривания подбираются с учетом основных технических требований.

Соединение должно быть как можно более крепким.
Не допускается наличие дефектов шва.
Химический состав и структура шва должны производиться в точном соответствии с действующими нормативами.
Качество сварочных соединений должно отвечать эксплуатационным условиям. От них требуется стойкость к температурному режиму, вибрационным колебаниям и механическим воздействиям.

При этом для низкоуглеродистой стали могут использоваться самые разнообразные типы сварки, начиная от простейшей газовой и ручной дуговой до сварки плавящимся электродом в углекислоте.

При выборе методики учитывают повышенную плавкость низколегированных и малоуглеродистых составов.

Все об углеродистых сталях

На сегодня сталь представляет собой один из самых распространенных материалов, используемых в машиностроении и других отраслях современной промышленности. При этом активное развитие технологий требует разработки новых сплавов с соответствующими свойствами и параметрами. Однако и созданные ранее марки сохраняют свою актуальность. Именно поэтому стоит узнать все об углеродистых сталях, их видах и сферах применения.

В перечень углеродистых входят стальные сплавы, одной из основных особенностей которых является доля углерода в диапазоне от 0,25 до 2%. Еще одна важная отличительная черта – это минимальное содержание серы, фосфора, марганца, кремния и магния.

Согласно актуальной статистике, на сегодня описываемый материал является более чем востребованным. Его доля в производстве широкого ассортимента изделий составляет около 80%. Это обусловлено, прежде всего, влиянием на эксплуатационные характеристики стали углерода. Так, если его содержание меньше 0,8%, то сплав будет иметь перлитовую или же ферритовую структуру.

При более высокой концентрации уже формируется вторичный цементит.

Стоит отметить, что для ферритной стали характерны повышенная пластичность и недостаток прочности. В ситуации с цементитной разновидностью главным параметром будет повышенная прочность на фоне хрупкости. Увеличение доли ключевого элемента обеспечивает улучшение прочностных показателей, но приводит к снижению показателей вязкости и пластичности.

Важно учесть, что УС относится к категории нелегированной. Однако в отдельных случаях свойства материала заметно улучшают за счет микролегирования.

С этой целью на определенной стадии производства вводят добавки, в роли которых выступают бор и титан, а также цирконий и редкоземельные элементы.

Отличия от легирующих сталей

В контексте ключевых различий между описываемым типом сплавов и легированных сталей стоит выделить следующие важные моменты.

Первые характеризуются присутствием железа, а также примесей, которые могут быть как полезными, так и вредными. К полезным относят кремний и марганец, тогда как в роли вредных здесь выступают фосфор и сера.
В описываемых сталях отсутствуют легирующие добавки в виде вольфрама, молибдена, титана и прочего, влияющие на характеристики продукта.
УС является общепромышленным сырьем, а это значит, что они не рассчитаны на специальное применение.

Также важно отметить, что легированные марки имеют более высокие эксплуатационные параметры. И здесь, прежде всего, имеются в виду такие показатели, как теплостойкость и твердость.

Классификация

Производимые на данный момент виды углеродистых сплавов классифицируются по целому перечню признаков и параметров. К той или иной категории стали относятся с учетом:

технологии производства;
степени раскисления;
качества (наличия вредных примесей);
сферы применения;
концентрации углерода.

Другими словами, при классификации принимаются во внимание ключевые характеристики сплавов с учетом сферы применения будущих изделий в том числе.

По технологии получения

Суть производства УС сводится к переработке чугунных заготовок. Обязательная составляющая – это максимальное сокращение присутствия вредных примесей. Параллельно обеспечивается необходимое содержание самого углерода. Принимая во внимание методы окисления, выделяют следующие варианты плавки.

При помощи кислородных конвертеров. Технология базируется на продувке расплавленного чугуна. Этот способ отличается высокой производительностью, однако его явный минус заключается в том, что в сплаве остается немалое количество примесей.
Мартеновский. Здесь углерод выжигается как при помощи воздуха, так и благодаря введению руды и ржавых металлических изделий.
Электротермический. Речь идет о применении вакуумных топок и индукционных печей для плавки. В итоге создаются инструментальные сплавы, характеризующиеся высокой жаростойкостью.

Стоит отметить, что последний вариант отличается сравнительно высокой стоимостью обработки.

Исходя из этого, такой метод применяют при технологической необходимости.

Частично сократить затраты позволяет использование специального ковша, разогреваемого в вакуумной емкости.

По уровню раскисления

Делая акцент на данный признак, можно выделить следующие три вида состояния.

Спокойное. Подобные сплавы отличаются однородностью структуры. Раскисляют их введением алюминия, а также ферромарганца и ферросилиция. Такой подход позволяет в полной мере избавиться от закиси железа. Мелкозернистая структура обеспечивается остаточным алюминием. Минус – это сравнительно высокая стоимость выплавки.
Полуспокойное. Этот тип углеродистой стали занимает промежуточное положение с учетом свойств. Главная особенность технологии получения – это введение небольшого объема раскислителей еще перед заливкой в изложницы. В итоге металл твердеет практически без закипания.
Кипящее. Такие сплавы являются более доступными в плане стоимости, но при этом не могут похвастаться высоким качеством. В процессе их получения участвует минимум добавок. Важно учесть и такой фактор, как частично выполненное раскисление. Именно это является причиной присутствия в структуре газов.

Сейчас рассматриваемые марки металлов производят с применением разных технологий. Это предсказуемо влияет на свойства материалов, их эксплуатационные показатели и, конечно же, уровень качества. С учетом последнего параметра можно выделить три категории:

качественные стали;
материалы, относящиеся к разряду высококачественных;
УС обыкновенного качества.

В первых двух случаях для получения сплава используются кислородные конвертеры, мартены и более современные образцы техники (электрические плавильные установки). Здесь важно учесть, что, согласно актуальному ГОСТу, к таким металлам предъявляются жесткие требования.

И ключевыми моментами являются наличие и объемы вредных примесей.

Сталь обыкновенного качества выплавляют в мартеновских печах. На завершающем этапе, как правило, формуются большие по размерам слитки. Кстати, в качестве плавильного оборудования нередко используют упомянутые конвертеры. Подобные марки могут иметь сравнительно высокую концентрацию лишних взвесей, что уменьшает стоимость, но ухудшает характеристики продукта.

По сфере использования

Назначение стали представляет собой еще один критерий классификации. И здесь выделяют две основные разновидности сталей.

Также важно отметить существование подгруппы второй разновидности.

Имеется в виду инструментальная сталь высшего качества, в маркировку которой добавляется буква «А».

Здесь главная отличительная черта – это максимальная концентрация углерода.

По наличию и объемам С

Именно доля углерода оказывает определяющее действие на базовые параметры. И здесь ключевая роль отводится твердости стали. Так, чем выше содержание С, тем прочнее будут стальные изделия. Однако важно помнить, что параллельно с объемом углерода будет увеличиваться хрупкость материала. Принимая во внимание рассматриваемые показатели, УС делят на следующие типы.

Низкоуглеродистые (в пределах 0,25%). Материалы с низкой концентрацией C характеризуются пластичностью и сравнительно легко поддаются деформации независимо от температурного режима. Такая сталь подходит для холодной ковки.
Среднеуглеродистые (0,3-0,6%). Эту категорию можно уверенно назвать «золотой серединой» в контексте соотношения прочности, пластичности и текучести, что делает обработку материала максимально легкой. Применяется он преимущественно для создания элементов конструкций, эксплуатируемых в нормальных условиях.
Высокоуглеродистые (0,6-1,4%). Используются для изготовления инструментов с повышенной прочностью, а также различных измерительных приборов.

Естественно, каждый из перечисленных видов имеет более широкую область применения с учетом эксплуатационных свойств сплавов.

Маркировка и марки

Обозначения существующих на сегодня углеродистых сталей регламентируются соответствующими ГОСТами. Так символы «Ст», которые дополняются цифрами (1 и 2 – это количество, умноженное на 10 и 100, соответственно), отображают долю самого углерода. Об обеспечении гарантированного состава и соответствии химических составляющих будут свидетельствовать буквы «Б» и «В».

Пара букв, расположенных в конце, показывают уровень раскисления. Так «пс» и «кп» – это полуспокойное и кипящее состояние, соответственно.

В ситуациях со спокойными металлами символы в обозначениях отсутствуют. Повышенная концентрация марганца будет отмечена буквой «Г».

В ситуациях с маркировкой высококачественных сплавов, применяемых в качестве сырья для изготовления инструментов, будет присутствовать буква «У». Числовой индекс здесь отображает процентное содержание C при десятикратном увеличении. Важно отметить, что число может быть как одно-, так и двухзначным. Отличительной чертой сплавов повышенного качества является наличие в маркировке литеры «А».

Например, обозначение «сталь 45» свидетельствует о том, что в сплаве содержится 0,45% углерода, а концентрация примесей является при этом крайне незначительной. Чтобы понять суть маркировки, можно рассмотреть сталь 09г2с. Расшифровка в данном случае будет иметь следующий вид:

09 – количественная доля углерода, составляющая 0,09%.
Г2 – часть марганца в сплаве, варьирующаяся в диапазоне от 1,3 до 2%.
С – кремний, на долю которого приходится менее 1%, о чем свидетельствует отсутствие цифры.

УС за счет своих свойств давно нашла широкое применение в самых разных отраслях промышленности и народного хозяйства. Популярность этого сплава сохраняется и в наши дни.

Он и сейчас успешно используется, особенно в машиностроительной области. При этом в своих расчетах конструкторы учитывают, прежде всего, высокое сопротивление нагрузкам, а также хорошие показатели в контексте так называемой усталости металла.

Именно эти характеристики позволяют изготавливать такие важные конструкционные элементы, как:

маховики двигателей;
шатунные корпусы;
зубчатые редукторные передачи;
поршни насосных установок плунжерного типа;
коленвалы.

Стали с повышенной концентрацией C, для которых характерна и увеличенная доля марганца, становятся исходным материалом при производстве пружин, торсионов и рессорных листов. То есть речь идет об изделиях, которые должны соответствовать достаточно высоким стандартам с точки зрения упругости.

Марки инструментальной стали повышенного качества используют в качестве исходного материала для сверл, зенковок и резцов.

На сегодня эксплуатационные характеристики низко- и среднеуглеродистых стальных сплавов позволяют широко использовать их при создании элементов конструкций разной сложности и назначения, включая коммуникационные системы. На специализированных прокатных установках производят:

швеллеры и двутавры;
уголки с разными полками;
трубную продукцию;
профили различной конфигурации, включая изделия, выполняемые по индивидуальным заказам.

Помимо всего изложенного, важно отметить повсеместное использование в подавляющем большинстве промышленных отраслей листового материала разных габаритов, включая толщину, и качества. Знание всех основных параметров УС позволяет использовать их с максимальной эффективностью.

Обработка

Одним из важных параметров любого металла является температура плавления. В ситуациях с обработкой описываемых материалов изначально важно заметить, что плотность углеродистых сталей практически не изменяется при температурных колебаниях в диапазоне от 20 до 900 градусов. Данный показатель составляет 7,7-7,9 г/см3.

Плотность УС аналогична соответствующему показателю железа, и это вполне логично, поскольку оно является основой любой УС.

Внести коррективы в структуру и повлиять на свойства сплава можно путем его термической обработки. И достигают желаемых результатов благодаря нагреву стали с ее последующим охлаждением. Термообработка включает в себя следующие виды воздействия:

закалка;
отжиг;
нормализация;
отпуск.

Главной особенностью закалки является охлаждение разогретого до определенной температуры сплава с достаточно высокой скоростью. В процессе производства на металлургических предприятиях специалисты подбирают этот параметр так, чтобы на выходе был продукт с полноценной мартенситной структурой. Еще один важный момент – это обязательное использование воды, соляных растворов или же специального масла для охлаждения УС при предусмотренных технологией условиях.

Такой прием, как отжиг стали, позволяет получить структуру, практически во всем идентичную равновесной.

Схема реализации процесса является максимально простой и выглядит следующим образом:

разогрев сплава;
выдержка в течение определенного временного промежутка;
охлаждение, которое осуществляется, как правило, вместе с печью, то есть длится достаточно долго.

Отпуск УС – это действенный способ влияния на важные свойства проката. Подобным образом эффективно снимают внутреннее напряжение металла и параллельно повышают его механические показатели. Но важно учитывать, что он является актуальным исключительно для предварительно закаленного материала.

Суть нормализации углеродистых сталей заключается в том, что все этапы термической обработки (нагрев, выдержка и остывание) проходят естественным образом. Подобные манипуляции не являются каким-то особым видом обработки. Нормализацию можно назвать разновидностью закалки и отжига стали.

Читайте также: