Содержание углерода в высокоуглеродистых сталях более

Обновлено: 09.05.2024

Чистого железа в природе не существует, этот элемент очень активен, он окисляется в атмосферном воздухе и в воде. При выплавке железной руды, состоящей из оксидов, расплав смешивают с углем или продувают углекислым газом, так получают чугун — сочетание железа и углерода. Дальнейшее разуглероживание превращает материал в стальной сплав.

Высокоуглеродистая сталь содержит от 0,6 до 2% углерода. Это делает ее твердой, стойкой к истиранию, но малая ударная вязкость приводит к повышенной хрупкости.

Сталь в промышленных масштабах не получали до XIX века, так как доменные печи не достигали температуры плавления. До этого металл обрабатывали ковкой и длительным продуванием мехами: до полного восстановления из оксидов. Для сокращения углеродной доли применяли обратную реакцию — окисление при высокой температуре. Углерод при этом выгорает или превращается в углекислый газ. С развитием металлургии появились три способа выплавки:

Мартеновская печь. Пьер Мартен предложил использовать нагретый воздух повторно, для этого печи оснастили регенератором. Одновременно для удаления фосфора начали использовать ферромарганец. Это дало толчок к развитию железных дорог, созданию прочных осей и рессор. Последняя установка в России функционировала до 2018 года.
Бессемеровский конвертер. Расплав остается в жидком состоянии благодаря продуванию газами и использованию энергии, которая вырабатывается при реакции окисления. Изначально процесс был разработан для получения чугунов, очищенных от примесей фосфора и серы. Установки яйцевидной формы с возможностью наклона позволяют пропускать воздух сквозь толщу расплава. Известны и другие методы бессемерования, в которых расплав мешают.
Электрохимический способ. Электропечи могут создать окислительную, восстановительную или вакуумную среду, быстро получить нужную температуру и сократить количество выбросов в атмосферу. Установки бывают дуговыми и индукционными. В зависимости от исходного состава сырья и требуемого результата подбирают технологи плавки без окисления примесей или с окисляющими реагентами.

Твердость высокоуглеродистой стали позволяет применять ее в качестве основного инструментального материала. Легирующие добавки хрома и никеля компенсируют склонность к холодовому охрупчиванию и трещинообразованию. Из сплавов производят канатную проволоку, подшипники, штампы и дробь для дробеструйной обработки металлов. Ранее материал использовали для медицинских целей, но сейчас его заменили высокопрочные нержавеющие стали.

Характеристики высокоуглеродистой стали

Качество стали во многом зависит от ее чистоты, количества вредных примесей. Для раскисления используют марганец, который впоследствии защищает металл от коррозии и ликвидирует вредное влияние серы.

Исходный материал обладает следующими свойствами:

Высокая твердость и прочность;
Низкая пластичность и ударная вязкость;
Плохая свариваемость, сварной шов подвержен трещинообразования;
Износостойкость, устойчивость к истиранию.

При изготовлении проволоки высокоуглеродистую сталь патентуют: нагревают, выдерживают в соляной или свинцовой ванне при температуре 450-550⁰, затем сразу подвергают волочению. В таком случае проволока способна выдерживать большие растяжения без разрывов. Элементы инструментов производят с помощью литья, ковки или проката с последующей термической обработкой (это делает материал прочнее на 10-15%). Крепежи подвергается длительному прессованию.

При сварке углерод начинает выгорать, это изменяет структуру металла в месте стыка, делает его пористым, поэтому сталь нельзя использовать в сварных конструкциях. Если сваривание необходимо, применяют наконечники с пониженным тепловыделением, предварительный нагрев и низкоуглеродные присадочные материалы. Для соединения деталей толщиной менее 3 мм нагрев не нужен.

Области применения высокоуглеродистой стали

У7, У7А — для инструментов небольших размеров: молотков, зубил, отверток, плоскогубцев, кузнечных штампов и игольной проволоки.
У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А — режущие и монтажные инструменты, работающие в условиях, при которых отсутствует нагрев (пилы, топоры, кусачки, кернеры, отвертки), накатные ролики для обработки мягких сплавов и пружинящие детали (клапаны, ламели, пружины). В высокоточном исполнении: элементы часовых механизмов.
У 10, У10А — технические и швейные иглы.
У 10, У10А, У11, У11А — режущий и обрабатывающий инструмент, работающий при постоянной температуре: ролики, напильники, штампы невысокого класса точности. Сплавы обладают пружинистостью и применяются в изготовлении плоских и витых пружин.
У10А, У12А — сердечники трансформаторов.
У12, У12А — штампы для холодной обработки металла, пуансоны и штемпели;
У13, У13А — хирургические и гравировальные инструменты, детали с пониженной износостойкостью.

Области применения сталей различных марок

Марки высокоуглеродистой стали используют в изготовлении промышленного оборудования, в машиностроении, для производства слесарных, монтажных, ремонтных инструментов. Также их применяют для производства точных измерительных приборов: угольников, микрометров. По назначению сплавы подразделяют на пружинные, быстрорежущие и подшипниковые.

Маркировка высокоуглеродистой стали

В системе обозначений, принятой в Российской Федерации, маркировка сталей указывает на химический состав. Содержание основных элементов и примесей регламентируется стандартом ГОСТ 1435-99.

Обозначение марок высокоуглеродистой стали:

Для ряда операций важно состояние материала. Заготовки, предназначенные для дальнейшей обработки (слитки и прутки) отмечают группами, обозначение зависит от наличия в составе присадок хрома, никеля и меди (до 0,05%):

1 — для любых деталей и сердечников, кроме патентированной проволоки;
2 — для проволоки и ленты;
3 — для изделий, подвергающихся термообработке, кроме сердечников и проволоки.

Пример расшифровки

Хром и никель затрудняют холодную обработку тонколистового металла, поэтому не допускаются для 2 группы, предназначенной для производства лент. В зависимости от назначения металлопроката в технической документации указывают ряд показателей:

Термообработка — закаленные полуфабрикаты имеют большую прочность и обозначаются ТО;
Нагартовка (НГ) — упрочнение поверхности;
Группы по назначению — для ковки, горячего проката или холодного волочения;
Баллы по шкале прокаливаемости — важно для режущих инструментов и сердечников;
Баллы для оценки структуры металла — плотность цементитной сетки учитывается в производстве инструментов.

Таким образом, сплавы одной марки могут быть как пригодными, так и непригодными для некоторых сфер. В зависимости от поставленных задач производитель инструментов может запросить проведение дополнительных испытаний.

Чем отличаются углеродистые стали от легированных?

Определение сталь объединяет сплавы на основе железа и углерода с другими веществами. При очистке железной руды получают чугун, содержащий 2,14-6,67% углерода. Этот элемент отвечает за твердость, при этом металл хрупок и не пластичен. Уменьшение углеродной составляющей изменяет структуру, делает материал ковким, повышает его ударную вязкость.

Чем отличается углеродистая сталь от легированной?

Углеродистая сталь состоит из тех же элементов, что первоначальное сырье: железо, углерод, кремний, марганец и вредные примеси: сера, фосфор. Легированными (ligare-связывать) называют сплавы, усиленные другими металлами: хромом, никелем, медью, молибденом.

Характеристики легированной стали

Для легирования применяют металлы, способные образовывать устойчивые соединения с железом и углеродом. Из карбидов, интерметаллидов и дисперсных частиц под воздействием температур формируется сложная кристаллическая решетка. При уменьшении углеродной доли каркас структуры создают хром, никель, марганец и другие элементы, а карбидные соединения вытесняются к границам зерен. Активное железо находится в связанном состоянии и не может реагировать с агрессивными веществами.

Легированные стали классифицируют по количеству присадок:

Низколегированные — до 2,5%;
Среднелегированные — 2,5-10%;
Высоколегированные — выше 10%.

И различают по назначению:

Инструментальные — применяют в производстве измерительных и режущих инструментов, штамповой оснастки;
Конструкционные — для изготовления агрегатов и механизмов, корпусов автомобилей и оборудования, конструкций;
Специальные — коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и др.

Для определения марок создана буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначают русскими буквами. В составе большей части сплавов не более 1% углерода, но эта характеристика одна из самых важных, поэтому ее указывают в начале маркировки в сотых долях процента. Числовые значения, округленные до единиц опускают.

● Буква А в конце значит, что сталь высококачественная.

Если содержание углерода 1% и более, первую цифру не пишут, например ХВГ, ХВСГ, ШХ15СГ. Для некоторых групп применяют обозначения перед маркировкой: А — автоматные, Ш — подшипниковые, Р — быстрорежущие, Э — электротехнические, Е — магнитно-твердые. Сплавы выпускаемые одним предприятием имеют свои названия, например ЭИ417 (Электросталь), ЧС 116-ИД (Челябинская сталь), ВНС-65 ВИЭМ).

Разработано более тысячи легированных стальных сплавов с различными уникальными свойствами: устойчивые к охрупчиванию на холоде, стойкие к кислотам и щелочам, кавитационным нагрузкам. В сравнении с углеродистыми они обладают меньшей теплопроводностью, твердостью. При термической обработке, в том числе сварке, необходимо учитывать свойства всех металлов в составе.

Характеристики углеродистой стали

Качества сплавов зависят от степени обработки. На первых этапах железную руду подвергают раскислению, восстанавливают окись железа до металла. По количеству оставшихся в расплаве атмосферных газов установлены классы:

В зависимости от наличия вредных примесей определяют качество:

Так как от углерода зависит твердость и одновременно ударная хрупкость, предусмотрена следующая классификация сталей:

● Низкоуглеродистые — до 0,25%;

● Высокоуглеродистые — выше 0,6%.

Действует деление по областям применения:

● Конструкционные — большая группа, объединяющая несколько видов: строительные, автоматные, термоупрочняемые, повышенной прочности и др. Маркировка начинается с цифр, обозначающих углерод в сотых долях процента: от 08 до 85. Если увеличено содержание марганца, в конце добавляют Г

● Инструментальные — для изготовления инструмента, не подвергающегося нагреву: зубила, молотки, топоры. Группу сталей относят к качественным и обозначают буквой У в начале, высшее качество дополнительно маркируют знаком А в конце.

● Общего назначения — недорогие сплавы для изготовления труб, прутков, швеллеров, ковки и литья. Предусмотрено несколько подгрупп. К группе А относят стали со стабильными механическими свойствами (Ст1кп, Ст6сп), первую букву не пишут. У группы Б регламентирован химический состав (БСт4сп, БСт6пс), у В стабильны состав и свойства (ВСт3сп, ВСт5).

Углеродистые стали предназначены для изготовления нагруженных деталей и конструкций: рельсов, валов, тяг, осей, пружин рессоров, деталей турбин. Они отлично свариваются, поддаются резанию, ковке, но требуют защиты от коррозии.

Разница между легированной и углеродистой сталью

Различие в химическом составе определяет характеристики материалов.

Легированные стали отличаются коррозионной стойкостью.

В зависимости от элементов, связанных с железом, они могут работать в морской воде, кислотных средах даже при высоких температурах, но плохо справляются с ударными нагрузками, имеют малую несущую способность. Производство сплавов и конечных продуктов сопряжено с применением десятков сложных технологий.

Углеродистые стали без антикоррозийных покрытий подвержены быстрому разрушению.

Их области применения: все металлоемкие производства. Экономическая целесообразность большого расхода сырья коррелирует с простотой обработки.

Углеродистая сталь: состав, свойства

При выплавке железной руды сначала получают чугун, в химическом составе которого не менее 2,14% углерода. Процедура науглероживания превращает сырье в сталь. Металл становится пластичнее, но обладает меньшей твердостью. Так как углеродная массовая доля по-прежнему считается высокой, такие сплавы называют углеродистыми. В зависимости от этого показателя, определяют три группы:

Высокоуглеродистые (0,6-1,4%) — особо твердые сплавы. Из них изготавливают канатную проволоку, дробь для дробеструйной обработки, штампы для деформации металлов. В группу входят некоторые пружинные марки.
Среднеуглеродистые (0,3-0,6%) — наряду с прочностью повышается пластичность, что крайне важно для технологической обработки. Область применения: конструкции, работающие в нормальных условиях.
Низкоуглеродистые (до 0,25%) — мягкие сплавы с хорошей формообразующей способностью. Детали обычно подвергают отжигу для увеличения прочности.

Углерод образует карбидные соединения, находящиеся в состоянии цементита и обуславливает следующие свойства углеродистых сталей:

Прочность;
Упругость;
Износостойкость.

Наряду с этим цементит неустойчив к изменениям внешних условий, подвержен распаду с образованием свободного графита, хрупок. Причиной может быть избыточная кинетическая энергия, увеличение нагрузок. В ходе разрушения кристаллической решетки образуются графитные хлопья и вкрапления, вследствие чего изделие утрачивает первоначальные свойства.

Характеристики углеродистых сталей объясняются прежде всего сложным молекулярным строением. Ячейка структуры цементита приобретает форму октаэдра.

В результате сплавам присущи следующие технико-экономические показатели:

Высокая прочность и несущая способность;
Из-за плохой прокаливаемости формируется твердый поверхностный слой и мягкая сердцевина, это свойство компенсирует хрупкость;
Долговечность, в нормальных условиях или с использованием способов защиты от коррозии срок службы достигает 50 лет;
Низкая цена. Технологический процесс выплавки доступен с момента появления мартеновских печей в конце XIX века.

Углеродистая сталь — незаменимый конструкционный материал, а невысокая стоимость позволяет использовать ее в строительстве масштабных сооружений: трубопроводов, зданий, мостов.

Выдающиеся механические параметры применяют при изготовлении инструментов и крепежей, деталей, испытывающих повышенные нагрузки.

Химический состав

Классификация по качеству и способу производства

В рудах содержится большое количество неметаллических включений, минералов и газов, влияющих на физико-химические свойства. К полезным относятся кремний и магний, к вредным, фосфор и серу. Выплавка производится в следующей последовательности:

Плавление: осуществляется при максимальной температуре с активным окислением железа, марганца, кремния, фосфора и других элементов.
Окисление: при распаде карбидов образуется углекислый газ, в состоянии кипения массовая доля углерода уменьшается до 2%.
Раскисление: оксиды восстанавливают до железа ферромарганцем, ферросилицием и другими реагентами. При плохой раскисленности материал склонен к трещинообразованию.

Температура доменных печей не позволяла выплавлять стали. Сегодня произвести эти операции можно несколькими способами:

Мартеновские печи. Пьер Мартен дополнил кузнечные печи регенератором, который не позволял рассеиваться тепловой энергии продуктов горения, таким образом удалось получить достаточную температуру. Снижение углеродной составляющей достигалось в основном выгоранием карбидов. Последняя печь в России работала до 2018 года на Выксунском заводе.
Конвертеры. Расплавленную массу продувают кислородом снизу и сверху. В ходе химической реакции окисления выделяется дополнительная энергия. Контакт воздушного потока с расплавом увеличивают перемешиванием.
Электроплавка. Электрометаллургия позволяет заменить реагенты электролизом, в частности на этапе восстановления из окиси не требуется уголь, что снижает количество примесей и вредные выбросы в атмосферу. Кроме этого предусмотрены возможности получения температур до 20 тыс С⁰ с помощью эффекта электротермии и вакуумная плавка.

В результате проведенной работы получают углеродистые стали разного качества. Этот параметр указывают в технической документации, так как от маркировки зависит область применения.

Обыкновенные — самый распространенный материал для производства металлопроката, конструкций, термоупрочняемых деталей: валов, осей, втулок. Вредные примеси: до 0,05%.
Качественные — характеристики указывают в отраслевых стандартах. Общее содержание примесей: до 0,035%.
Высококачественные — загрязненность до 0,025%. В основном применяются для изготовления инструментов.
Особо высококачественные — концентрации серы и фосфора ниже 0,015%. В обозначении употребляют букву «Ш».

Получение сталей с малым содержанием примесей возможно только методом электроплавки. Они используются для производства некоторых механизмов и деталей оборудования специального назначения, например в атомной энергетике.

Классификация по уровню раскисления и количеству углерода

На этапе окисления расплав насыщается водородом, азотом, углекислотой, а железо превращается в окись. Восстановление металла осуществляется до нужных параметров, так как дополнительная очистка приводит к удорожанию. В связи с этим действует следующая классификация:

Кипящие (кп) — раскисление осуществляют марганцем, структура неоднородная и насыщенная пузырьками воздуха, характеристики отличаются от слитка к слитку. КП ценят за низкую стоимость и пластичность, их используют для производства плит, подставок, неответственных элементов, работающих при температуре не ниже -20 С⁰.
Полуспокойные (пс) — окись восстанавливают марганцем и алюминием, если процедура проведена правильно, то газы концентрируются в верхней части слитка. При обработке прокаткой дефекты устраняются.
Спокойные (сп) — газы удалены практически полностью, структура однородная и плотная. Применяются для изготовления сортового и фасонного проката.

Индекс раскисления указывают только для обыкновенных и частично для качественных сталей, в других маркировках он не используется, так как требования к химическому составу устраняют эту необходимость.

Чем больше углерода, тем выше прочность, но из-за снижения пластичности и ударной вязкости материал становится хрупким. При превышении установленных нагрузок вместо пластической деформации образуются трещины и сколы.

По его массовой доле углерода определяют назначение:

Обыкновенные (от 0,06 до 0,49%) — в зависимости от группы поставки механические свойства или состав могут быть стабильны.
Конструкционные — понятие включает в себя сплавы разного качества со средним содержанием (0,25-0,6%), применяется в машиностроении и строительстве.
Инструментальные — марки с самой высокой твердостью (от 0,7), из них изготовляют ударные инструменты, группа включает в себя только качественные и высококачественные стали У7,У8 — У11А, У12а.

Характеристики и структуру металла изменяют термообработкой. Таким образом достигается баланс прочности и пластичности стальных изделий, повышается коррозионная стойкость. В ряде случаев закаливанию подвергаются лишь поверхностные слои, а сердцевина остается пластичной.

Маркировка углеродистых сталей

Обозначение указывает на класс, чистоту и назначение. В России и СНГ приняты регламенты ГОСТ и ОСТ, устанавливающие нормы химического состава, механических свойств и методов испытаний. В каждой стране разработана своя система: DIN(Германия), EN (Евросоюз), JIS (Япония). Свои нормативы действуют даже в небольших государствах, таких как Чехия, Югославия, Бельгия, в США работает сразу несколько организаций стандартизации, которые создали 8 спецификаций.

Высокоуглеродистая сталь: характеристики, свойства, марки и маркировка

Высокоуглеродистая сталь по причине ряда неоспоримых достоинств, которыми она обладает, успешно применяется для производства изделий, использующихся во многих отраслях промышленности. Между тем использование сталей данной категории не всегда целесообразно, поэтому очень важно хорошо разбираться в свойствах и качественных характеристиках подобных сплавов.

Производство высокоуглеродистой стали

Особенности материала

Любая сталь, как известно, является сплавом железа и углерода, в который могут добавляться различные легирующие элементы. Разделение сталей на мало-, средне- и высокоуглеродистые типы зависит от того, в каком количестве в их составе присутствует углерод. Данный элемент, который оказывает серьезное влияние на характеристики готового сплава, может содержаться в сталях от 0,02 до 2,14%. В сталях, относящихся к категории высокоуглеродистых, количество данного элемента в составе начинается с отметки 0,6%.

Марки стали и доля различных элементов в их составе

Одной из отличительных особенностей, которой обладают высокоуглеродистые стали, является то, что изделия из них плохо поддаются сварке, ее выполнение приводит к тому, что в зоне сварного шва возникают трещины. Объясняется это тем, что такие материалы, обладая определенным химическим составом, имеют склонность к образованию закаленных зон в тех местах, где металл подвергается термическому воздействию.

В связи с такой особенностью высокоуглеродистых сталей, выполнять сварку изделий из них стоит только при помощи электродов, обладающих невысокой тепловой мощностью. Сварочная дуга, с использованием которой выполняется соединение изделий из высокоуглеродистых сталей, должна быть восстановительного типа. Применение окислительной дуги в таких случаях приведет к тому, что из состава стали будет выжигаться углерод, и, как следствие, металл в области сварного шва станет более пористым. Между тем такого отрицательного эффекта можно избежать, если предварительно прогреть соединяемые изделия до температуры 200–2500.

Нарушение технологических особенностей сварки высокоуглеродистых сталей приводит к дефектам сварочного шва

Применение сталей высокоуглеродистого типа

Углерод, содержащийся в составе любых стальных сплавов, оказывает серьезное влияние на их качественные и механические характеристики. Чем больше данного элемента содержится в стали, тем больше в ее составе цементита и меньше — феррита. Цементит, как известно, оказывает положительное влияние на твердость и прочность материала, но негативно отражается на его пластичности. Данная закономерность характерна для стальных сплавов, в которых количество углерода не превышает 1%. При превышении в составе стального сплава содержания данного элемента выше указанного предела в его структуре формируется сетка вторичного цементита, что приводит к снижению его прочностных характеристик.

При увеличении содержания углерода в составе стали происходят изменения и с рядом других характеристик данного материала. Так, снижается ее ударная вязкость, а электрическое сопротивление повышается. У стальных сплавов при увеличении в их составе содержания углерода повышается показатель температуры, при которой материал переходит от вязкого разрушения к хрупкому. У высокоуглеродистых сталей по причине особенностей их внутренней структуры снижен показатель их жидкотекучести, такие материалы хуже остальных обрабатываются резанием и давлением. Между тем стали высокоуглеродистого типа используются для производства различных изделий методом литья, из них производят проволоку, обрабатывают данный материал методом штамповки. Применения сварочных операций для изделий из сталей данных марок стараются избегать, так как они затруднены и не позволяют получать надежные и прочные соединения.

Назначение углеродистых сталей различных марок

Маркировка материала

Маркировка высокоуглеродистых стальных сплавов, как и сталей любых других марок, позволяет точно определить их химический состав, получить представление о характеристиках материала и, соответственно, правильно подобрать его для реализации тех или иных целей.

Маркировка, которую наносят на поверхность высокоуглеродистой стали несмываемой краской, включает в себя как буквенные, так и числовые значения, по которым можно узнать следующую информацию о представленном сплаве:

тип и количество содержащихся легирующих элементов;
качественные характеристики рассматриваемого материала;
степень раскисления металла;
и другие.

Примеры расшифровки маркировки

На качественные характеристики высокоуглеродистых сталей кроме углерода серьезное влияние оказывает такой элемент, как марганец. Данный элемент, в частности, отвечает за такие характеристики, как:

прочность;
прокаливаемость;
износостойкость.

Марганец по причине своего значительного влияния на свойства стального сплава присутствует в составе практически каждой марки стали. В том случае, если данного элемента в стали содержится более 0,8%, то в ее маркировке после обозначения количества углерода присутствует буква «Г».

Высокоуглеродистые стали импортного производства (нажмите для увеличения)

Стальные сплавы, относящиеся к категории инструментальных, которые характеризуются содержанием углерода в пределах 0,75%, легко узнать по букве «У», располагающейся в самом начале их маркировки. Цифры, стоящие в маркировке таких сталей после данной буквы, говорят о содержании в них углерода в десятых долях процента.

Маркировка стальных сплавов, относящихся к категории высокоуглеродистых, имеет еще ряд характерных особенностей, к которым следует отнести:

наличие в маркировке буквы «А», если высокоуглеродистый сплав относится к категории высококачественных сталей;
буква «Ш» в маркировке таких сталей говорит о том, что перед вами марка, отличающаяся особо высоким качеством;
буквы «сп», «пс» и «кп», присутствующие в маркировке, позволяют определить степень раскисления (спокойный, полуспокойный и кипящий, соответственно).

Таким образом, маркировка сталей данной категории позволяет получить практически всю информацию, которая необходима потребителям таких сплавов при выборе их марок.

Сталь углеродистая: состав, классификация, ГОСТ

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

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

Что собой представляют углеродистые стали

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

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

Нормы содержания химических элементов в углеродистых сталях

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

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

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества

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

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

Классификация по степени раскисления

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

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

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

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

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

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

Методы производства и разделение по качеству

Для производства углеродистых сталей используются различные технологии, что сказывается на их разделении не только по способу производства, но и по качественным характеристикам. Так, различают:

высококачественные стальные сплавы; ;
углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.

Классификация углеродистых сталей

Стальные сплавы, обладающие обыкновенным качеством, выплавляются в мартеновских печах, после чего из них формируют слитки больших размеров. К плавильному оборудованию, которое используется для получения таких сталей, относятся также кислородные конвертеры. По сравнению с качественными стальными сплавами, рассматриваемые стали могут иметь большее содержание вредных примесей, что сказывается на стоимости их производства, а также на их характеристиках.

Сформированные и полностью застывшие слитки металла подвергают дальнейшей прокатке, которая может выполняться в горячем или холодном состоянии. Методом горячей прокатки производят фасонные и сортовые изделия, толстолистовой и тонколистовой металл, металлические полосы большой ширины. При помощи прокатки, выполняемой в холодном состоянии, получают тонколистовой металл.

На современных предприятиях для производства высококачественных сплавов используются электрические дуговые печи

Для производства углеродистых сталей качественной и высококачественной категорий могут использоваться как конвертеры и мартеновские печи, так и более современное оборудование – плавильные печи, работающие на электричестве. К химическому составу таких сталей, наличию в их структуре вредных и неметаллических примесей соответствующий ГОСТ предъявляет очень жесткие требования. Например, в сталях, которые относятся к категории высококачественных, должно содержаться не более 0,04% серы и не больше 0,035% фосфора. Качественные и высококачественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу их производства и к характеристикам отличаются повышенной чистотой структуры.

Область применения

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

Сферы применения углеродистых инструментальных сталей

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

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

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

Особенности маркировки

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

Цветовая маркировка наносится по требованию потребителя несмываемой краской

Марки углеродистых сталей по ГОСТу и по международным стандартам ИСО

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

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

Читайте также: