Углеродистая сталь и сталь

Обновлено: 02.05.2024

Центральное место во всем промышленном материаловедении занимает сталь. С ее помощью успешно решают большинство технических задач. К услугам инженера — огромный диапазон вариантов: начиная от самой простой строительной арматуры и заканчивая хромоникелевой нержавейкой, способной работать в условиях открытого космоса.

Наибольшего внимания заслуживает углеродистая сталь и ее марки. Они лишены значимых легирующих добавок и потому представляют собой исключительно композицию железа и углерода в чистом виде. Познакомиться с углеродистыми сталями поближе — значит понять основополагающие принципы, как ведут себя все сплавы из категории «черных» и от чего зависят их рабочие характеристики.

Классификация и марки

Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные имена — в честь их изобретателей или каких-то особенных свойств. Остальные довольствуются условным обозначением — т.н. маркой, внутри которой зашифрована ключевая информация. Марку можно сравнить с разновидностью, чей состав и структура жестко определены и неизменны.

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя два определяющих параметра: химсостав материала или его функциональное применение. Причем марки, соседствующие в одной группе по первому делению, с большой долей вероятности станут коллегами и при оценке рабочих свойств.

По химическому составу

Ключевым параметром, на который обращают внимание при знакомстве с любой маркой стали, становится процент содержания углерода. Различают три вида:

05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2

25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6

58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13

Низкоуглеродистые стали предназначены преимущественно для изготовления сварных изделий — за счет малой доли углерода они очень податливы к любым процессам сварки, не склонны к образованию флокенов и трещин, легко поддаются механическому резанию и изгибу. В целом, они вязкие и с низкой прочностью.

Термическое упрочнение (закалка, улучшение) не дают ощутимого эффекта по росту прочности или твердости. Зато собственное низкое содержание углерода позволяет применить к материалу особый вид химико-термической обработки — цементацию. Поверхностные слои насыщаются углеродом из внешнего источника, после чего реакция на закалку становится уже совершенно иной. Твердость поверхности зашкаливает, а сердцевина по-прежнему остается мягкой и может работать как гаситель напряжений.

Среднеуглеродистые стали — наиболее ходовые и популярные благодаря своей «серединности» и универсальности. Они лишены недостатков остальных граничных групп и обладают собственными достоинствами.

В частности, такие марки стабильно и уверенно реагируют на закалку, набирая нужную прочность и твердость без дополнительных ухищрений. Но сварку следует вести с осторожностью — увеличенная доза углерода может приводить к развитию трещин при кристаллизации шва.

Их используют для производства деталей машин и механизмов, которые постоянно испытывают рабочие нагрузки. Это разнообразные шестерни, рычаги, колеса, шкивы ременных передач, валы и оси. Углеродистые стали всегда дешевле любых легированных, поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительны, если конечное изделие не испытывает негативного воздействия коррозии, нагрева или охлаждения. Тяжелая работа в обычных условиях — это пример применения таких сплавов.

Высокоуглеродистые стали вообще не рекомендуется варить: они очень склонны к образованию трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне шва. За счет высокой доли углерода на закалку реагируют лучше всех остальных. Результатом становится очень высокая твердость и прочность, вплоть до возникновения пружинящих свойств.

Такие марки закладывают для изготовления специальных деталей машин, пружин различной конфигурации (плоские, витые, тарельчатые), режущего и слесарного инструмента.

По области применения

С учетом химического состава, «круг обязанностей» каждой марки уже предопределен, как и сфера, где ее можно использовать максимально эффективно. Поэтому все углеродистые стали разделили на три категории по области применения:

Категория	Группа	Примеры марок
Конструкционные	Общего назначения	Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст5
	Качественные	05кп, 08кп, 10, 15, 20, 35, 45, 50, 55, 60
	Повышенной обрабатываемости	А11, А20, А30, А35
Инструментальные	-	У8, У10, У11, У12А
Специальные	Рессорно-пружинные	65, 70, 75, 80, 85
	Для строительных конструкций	С235, С285, С590К
	Подшипниковые	ШХ4
	Для крановых рельс	К63

Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей машин и металлоконструкций. Их активно используют во всех сферах промышленности — начиная от металлообработки и заканчивая возведением атомных электростанций.

Среди них выделяют три основных группы:

общего назначения — марки со стандартной степенью очистки от постоянных примесей. Нужно преимущественно для сварных строительных конструкций, корпусных деталей и ненагруженных элементов;
качественные — повышенной степени очистки и с улучшенными механическими свойствами. Применяются для производства деталей машин и крепежа;
повышенной обрабатываемости — с максимально стабильной структурой и постоянством физико-механических свойств по всему объему. Такой материал идет в работу на автоматические линии.

Инструментальные углеродистые стали могут похвастать куда большим содержанием углерода, чем все остальные «родственники» — от 0,66 до 1,35%. Такие сплавы используют для производства:

режущего инструмента — для работ по дереву, пластику, мягким цветным сплавам и незакаленной стали;
мерительного инструмента;
слесарного инструмента;
оснастки для холодной штамповки;
вспомогательной станочной оснастки.

Главное преимущество инструментальных марок — очень сильная реакция на закалку, увеличенная износостойкость, твердость и прочность.

Углеродистая сталь для строительных конструкций идет на массовый выпуск фасонного проката: швеллера, тавровой и двутавровой балки, уголков. В сплавах этого типа заложено мало углерода и ощутимое количество примесей кремния и марганца (до 0,5..0,8%), чтобы обеспечить необходимую вязкость, устойчивость и хорошее восприятие сварочных процессов.

Очень интересна марка ШХ4, случайно попавшая в группу подшипниковых как единственная нелегированная сталь. Ее используют для производства колец железнодорожных подшипников. Содержание углерода там изрядное — в пределах 0,95 до 1,05% — и присутствует щепотка хрома — 0,35..0,5%.

Марку К63 (или просто 63) применяют исключительно для горячей прокатки специального сортамента — рельс крановых путей. Этот сплав обеспечивает необходимый баланс между прочностью, износостойкостью и стрессоустойчивостью. Материал постоянно работает с высокими нагрузками и фрикционным износом от катания колес.

Свойства углеродистых сталей

При рассмотрении той или иной марки, инженера интересует химический состав не сам по себе, а как прямое указание на возможные физико-механические свойства. А те, в свою очередь, отражают диапазон функций, которые характерны для материала.

И с оглядкой на такую взаимосвязь можно сделать утверждение, что каждая марка углеродистой стали по-своему уникальна, потому что обладает собственным, неповторимым набором характеристик.

Прочностные характеристики

Первым параметром, на который ориентируются при проектировании любой конструкции, становится умение материала сопротивляться действующим нагрузкам. Это комплексная характеристика, в которую войдут:

предел прочности — размер силовой нагрузки, при которой металл разрушается;
предел текучести — размер силовой нагрузки, при которой металл начинает деформироваться;
ударная вязкость — способность сопротивляться внезапным силовым воздействиям;
относительное удлинение при разрыве — насколько металл будет удлиняться перед тем, как окончательно «порваться» под действием радикальной силовой нагрузки, превышающей предел прочности;
твердость — способность сопротивляться внедрению иного твердого тела.

Все эти показатели тесно связаны между собой. И по их оценке можно легко предсказать, как материал поведет себя в работе.

Связь между отдельными механическими характеристиками сплава не всегда прямая. Например, предел прочности всегда в 1,7..2,2 раза больше предела текучести. Зато, чем выше предел прочности сплава — тем зачастую меньшую величину относительного удлинения при разрыве он покажет.

Механические характеристики углеродистых сталей растут вместе с содержанием углерода. Этот элемент — главный признак всех возможностей сплава.

Ниже в таблице приведены ориентировочные показатели разных категорий сталей в «сыром» состоянии.

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.

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.

Материаловедение: сталь

Что такое сталь? Каковы плотность, температура плавления и другие характеристики стали? В чем роль стального проката в производстве, и как объяснить неуклонный рост цен на сталь в последние годы? Обо всем этом и не только – в нашей новой статье.

Сталь – сплав железа (Fe) с углеродом (C). При этом доля углерода в составе мала: до 2,14% в теории и обычно не более 1,5% на практике. Как и в любых других сплавах, в сталях всегда присутствуют примеси (сера, фосфор, кремний), а для улучшения свойств могут вводиться легирующие элементы.

В силу высокой прочности, жесткости, а также из-за дешевизны сталь используется повсеместно и считается ключевым продуктом черной металлургии. Что важно в свете «зеленых» трендов: сталь можно перерабатывать практически бесконечно. По данным Всемирной ассоциации стали, 75% стальных изделий, выпущенных с момента появления мартеновской плавильной печи в 1864 году, до сих пор в обиходе.

Эти железосодержащие сплавы похожи и по составу, и способом получения. Принципиальное различие в доле углерода. Если его меньше 2,14% от состава, то это сталь; если больше – чугун. Во многом отсюда и разница в свойствах. Так, сталь легче в обработке, тверже и прочнее, ее не разбить ударом. Чугун же хрупче, тяжелее, но более теплоемкий (дольше держит тепло) и в отличие от стали подходит для литья, в том числе художественного. Отметим также, что чугун часто используется для передела в сталь.

Отметим, что у стали высокая температура плавления – это не ЦАМ, не свинец и уж тем более не олово, которые можно плавить у себя на кухне. Сами по себе стальные изделия увесистые – в 2,5 раза тяжелее аналогичных алюминиевых (плотность сплавов алюминия – 2400-2900 кг/м³). Ну и очевидное: все черные стали реагируют на магнит. Причем чем меньше в них углерода, тем лучше магнитные свойства.

Все знают: железо и его сплавы ржавеют. Сталь не исключение. Главная причина появления ржавчины – повреждение оксидной пленки. У тех же алюминия, хрома и никеля она тонкая, но плотная и прочная – настолько, что атомы кислорода не в состоянии диффундировать через нее. У сталей же оксидная пленка хоть и плотная, но непрочная и в любых условиях быстро растрескивается.

Для предотвращения окисления и развития ржавчины сталь покрывают химическим способом – например, оцинковкой, погружая заготовку в бак с расплавленным цинком. В этом случае молекулы цинка реагируют с молекулами железа, и на поверхности образуется защитный слой. Для закрепления эффекта его покрывают дополнительными слоями цинка. Идея способа основана на том, что отрицательный потенциал цинка выше, чем у железа, и в такой паре железо будет восстанавливаться, а цинк отважно послужит щитом для коррозии.

Чтобы металлические конструкции не ржавели, применяют стали, легированные хромом (12-20%) и некоторыми другими металлами, такими как никель, титан и молибден. Защита от ржавчины здесь заключается в формировании инертного слоя оксида хрома, способного к самовосстановлению.

Сразу развеем расхожий миф, что нержавеющая сталь якобы не магнитится. По факту это справедливо для хромникелевых и хромомарганцевоникелевых сталей, к которым относится всем известная пищевая нержавейка. В то же время техническая нержавеющая сталь, из которой делают клапаны, фитинги и трубы, на магнит вполне себе реагирует.

Впрочем, термообработка не ограничена одной закалкой. Есть еще как минимум отжиг, нормализация и отпуск. Отжигу сталь подвергают для улучшения обработки (принося в жертву твердость); нормализации – для выравнивания структуры и устранения зернистости. Отпуск нужен для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости (пусть, опять же, и в ущерб твердости). Отметим, что отпуск выполняется после закалки и считается важным этапом термообработки, тогда как без отжига и нормализации зачастую можно обойтись.

В любой марке стали есть примеси, пусть и в микроскопическом количестве. Некоторые, такие как кремний, даже улучшают свойства сплава. Однако вредных примесей больше; среди них сера, фосфор, а также газы: кислород, азот и водород.

• Хром (Cr). Придает износостойкость, способность к закаливанию и устойчивость к коррозии. Стали с содержанием хрома от 12% относят к нержавеющим.

• Марганец (Mn). Может присутствовать в виде примесей. Дополнительная присадка марганца улучшает прокаливаемость стали и нивелирует вредное воздействие серы.

• Молибден (Mo). Одна из главных упрочняющих легирующих добавок в жаропрочных сталях. Доля в составе незначительна: 0,15-0,8%.

• Ванадий (V). С ним сталь становится прочнее и устойчивее к износу. Содержание: 1,0-1,5% в штамповых сталях, 0,2-0,8% в специальных.

Содержат только железо, углерод и примеси. Определяющий элемент – углерод: чем его больше, тем сталь жестче и тверже. Чем меньше – тем сталь пластичней, ударопрочней, удобнее в обработке и сварке.

Легированные – это стали, которые кроме основных компонентов и примесей содержат специально вводимые легирующие добавки. По типу легирования такие стали подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромо-никель-кремний-марганцовистые и др. По доле легирующих элементов в составе – на низко- (<5% С), средне- (5-10% C) и высоколегированные (>10% C).

Качество стали определяется спецификой производственных процессов, перерабатываемым сырьем, видом плавки и другими факторами. Все это, в свою очередь, напрямую зависит от состава сплава и содержания в нем примесей.

Стали обыкновенного качества. Рядовые углеродистые стали, где углерода менее 0,6%, серы – в диапазоне 0,045-0,060%, фосфора – 0,04-0,07%. Являясь самыми дешевыми, такие стали уступают сталям остальных классов по всем ключевым свойствам.

Качественные стали. Могут быть углеродистыми (марки 08, 10, 15…) или легированными (0,8кп, 10пс…). Нормативы по примесям: серы – не более 0,04%, фосфора – 0,035-0,04%.

Высококачественные стали. Углеродистые или легированные. Содержание примесей: серы – не более 0,02%, фосфора – не более 0,03%. Примеры марок: стали 20А, 15Х2МА.

Особовысококачественные стали. Эти стали только легированные и содержат не более 0,015% серы и не более 0,025% фосфора. Примеры марок: 20ХГНТР-Ш, 18ХГ-Ш.

Идут на изготовление сварных строительных конструкций, узлов механизмов, деталей машин. Могут быть углеродистыми или легированными. Примеры марок: Ст1, Ст2, Ст3; 05, 10, 15; 15Г, 20Х, 45 ХН и др.

Из них делают режущие и ударные инструменты – от лезвия топора и губок плоскогубцев до напильника и сверла. Само собой, такие стали должны быть твердыми, поэтому содержание углерода в них не менее 0,7%. Примеры марок: У7, У8ГА, У10А (У – углеродистая; число – усредненное содержание углерода, выраженное в десятых долях процента; Г – повышенное содержание марганца; А – высококачественная сталь).

По большому счету, это те же конструкционные стали, но со специфическим составом, особым способом производства или обработки. Нержавеющие, жаропрочные, электротехнические, кислотостойкие стали – все они относятся к специальным.

Речь о том, сколько кислорода было выведено из жидкого металла при производстве стали и сколько его по итогу осталось. В целом: чем меньше в сплаве остается кислорода, тем чище состав и однородней структура.

Кипящие стали (кп). Раскисляются только марганцем. Обычно это низкоуглеродистые стали с большим количеством оксидов углерода – отсюда просадка в прочности и пластичности. Как следствие, кипящие стали склонны к разрушению, растрескиванию, плохо свариваются и поэтому идут в ход лишь в простых конструкциях. Из плюсов: кипящая сталь самая дешевая.

Спокойные стали (сп). Раскисляются в плавильных печах и ковшах алюминием, марганцем, кремнием. В отличие от кипящих, спокойные стали стабильны: содержат мало остаточного кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газообразных примесей. Применение: конструкции ответственного назначения.

Полуспокойные стали (псп). Частично насыщенные кислородом стали, раскисляемые марганцем и алюминием. Всегда углеродистые. Среднепрочные, применяются в строительстве.

Нет более неудобного вопроса, чем «сколько стоит сталь»? Во-первых, какая и где – на бирже или у местных трейдеров металлопроката? Во-вторых, эта статья написана в марте 2022 года, когда экономику России (да и других стран мира) засосало в турбулентную фазу. Мы можем лишь констатировать, что в ближайшие год-два стоимость стали будет расти. Причем расти кратно, если сравнивать с допандемийным уровнем. Связано это с несколькими причинами:

• Первая волна коронавируса, во время которой приостанавливался сбор лома и ограничивалась работа сталеплавильных заводов. К осени 2020 года из-за лавины отложенного спроса и промедления трейдеров это привело к общемировому дефициту стали.

• Конфликт России с Украиной, последующие санкции, разрыв производственных и логистических цепочек. Это уже ускорило девальвацию рубля, а в перспективе может привести и к гиперинфляции, если конфликт окажется затяжным.

• Зеленые тренды в соответствии с определенными ООН целями в области устойчивого развития (ЦУР). Страны, включая мировую фабрику под названием Китай, уже сокращают выплавку стали ради снижения углеродного следа. Это в каком-то смысле парадоксально, ведь именно сталь – один из важнейших материалов для производства ветрогенераторов и электрокаров, так агрессивно насаждаемых на Западе.

В России фурнитуру для входных и межкомнатных дверей производят по большей части из низкоуглеродистой конструкционной стали. Одна из самых ходовых марок – Ст3 и ее аналоги. Из ее листов изготавливают дверные петли, корпуса и планки замков, розетки дверных ручек, задвижки и, например, крепеж. Подчеркнем: мы говорим о видимых элементах конструкции. Для тех же петельных подшипников есть инструментальные подшипниковые стали (например, ШХ-15). Для возвратных пружин в ручках и замках – средне- и высокоуглеродистая пружинная сталь.

(+) Прочность и антивандальность. Сталь крепче цветных металлов вроде алюминия, латуни и ЦАМ и дольше пилится. Вспомните корпуса гаражных навесных замков – там сплошь и рядом либо сталь, либо чугун.

(+) Дешевизна. Просто приценитесь, сколько стоят стальные дверные петли, а сколько – аналогичные по размерам латунные. Подсказка: первые дешевле в 3-5 раз.

(+) Магнитные свойства. Благодаря этому мы имеем счастье пользоваться такими чудесами инженерной мысли, как магнитные защелки и магнитные дверные стопоры.

(-) Низкие литейные качества. Снова обратимся к дверным петлям. В то время как латунные петли получают литьем под давлением, стальные – гибкой и штамповкой. Отсюда «побочные эффекты»: заметные швы и стыки, зазоры от 2 мм, неровные края, несоразмерность.

(-) Коррозия. Антикоррозийное покрытие рано или поздно повредится, и изделие начнет ржаветь. Кто-то возразит: но как же, есть же, скажем, дверные ручки из нержавеющей стали. А мы и не спорим. Но именно в России в частном секторе они не в ходу из-за дороговизны и ограниченности дизайна, продиктованной опять же низкими литейными качествами.

(-) Вес. Если вы подбираете небольшой и удобный в переноске навесной замок для багажа или противоугонного троса, то, возможно, есть смысл предпочесть алюминий. При одинаковых габаритах алюминиевый замок окажется в 2,5 раза легче стального. Тем более что упрочнение тела замка в данном случае неоправданно: в маленьких замках куда проще перекусить дужку, чем водить пилой по корпусу.

Читайте также: