Углеродная или углеродистая сталь как правильно

Обновлено: 01.05.2024

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.

Что такое углеродистая сталь в посуде

На многих домашних и профессиональных кухнях в последние годы стала все чаще появляться карбоновая посуда. Она предназначенная в основном для запекания и жарки и изготовлена из углеродистой стали. Это особый сплав, который обладает высокими эксплуатационными характеристиками и служит многие годы при правильном уходе.

Что такое карбоновая сталь

Внешне этот металл похож на чугун, но он содержит больший процент углерода. Углеродистая сталь в посуде обладает лучшими антикоррозийными свойствами и меньший вес, чем чугун. К ней для повышения жаростойкости и прочности присоединяют дополнительные пластификаторы, но их содержание незначительно и безопасно для здоровья человека.

Посуда из углеродистой стали темного цвета, благодаря черной оксидной пленке. Есть и модели с другим типом защиты – с керамическим слоем, который является более существенным препятствием против механических повреждений и ржавчины.

Вред и польза ее давно изучены. И можно с уверенностью сказать, что этот металл безопасен для здоровья человека и экологии. Даже при сильном нагреве он не выделяет вредные соединения, не вступает в реакцию с продуктами питания.

Предметы с антипригарным покрытием долгое время сохраняют свои эксплуатационные свойства, не темнеют и не покрываются ржавчиной. Они подходят для выпечки в духовке на максимальных температурах.

При кустарном производстве посуды из углеродистой стали часто используют всевозможные добавки, опасные для здоровья. Поэтому стоит отдавать предпочтение проверенным маркам и посредникам.

В любом случае, если форма для выпечки начала трескаться и на ней появились глубокие сколы, ее пора отравлять в утиль и заменять новой, с целостным антикоррозийным и антипригарным слоем.

Вид выпускаемой посуды

Кухонная утварь из углеродистой стали имеет много положительных отзывов. В списке популярной посуды всевозможные емкости, которые выдерживают нагрев до +450°C.

формы для запекания;
сковородки;
грильницы;
противни;
поставки под горячее;
казаны;
сотейники;
сковороды вок.

В основном это модели с темным покрытием, которое быстро поглощает тепло. А также — быстро нагреваются и распределяют жар по всем направлениям, что гарантирует равномерную тепловую обработку.

Недостатки посуды

Углеродистая сталь и изделия из нее имеют как минусы, так и плюсы. Данный материал плохо переносит мытье в посудомойке. Сковороды и сотейники, казаны и формы для запекания лучше всего мыть вручную теплой водой с мылом.

Посуда из карбоновой или углеродистой стали не подходит для длительного хранения пищи. Да и блюда, которые в ней приготовлены, лучше после остывания перекладывать в другие емкости, например, в пластиковые или стеклянные судочки.

Антипригарное напыление при постоянном соприкосновении с пищей и частом нахождении в холодильнике начнет истончаться и покрываться паутинкой из трещин.

Если стальная утварь не покрыта защитным слоем, например, из эмали, то она быстро заржавеет. Порой буквально на глазах. Такие кухонные принадлежности нужно просушивать сразу после мытья и постоянно использовать масло для жарки. А это не подходит тем, кто сидит на диете.

Емкости из высокоуглеродистой стали не переносят частого приготовления кислых блюд, например, с добавлением томатов. Помидоры содержат сильные кислоты, которые вступают в реакцию с карбоном. В итоге на утвари появляются темные или желтоватые пятна, а впоследствии и заметная ржавчина, потертости и глубокие рытвины.

Важно помнить, что углеродистая сталь в посуде не переносит резких температурных перепадов. Нельзя обдавать горячую сковородку ледяной водой или ставить ее сразу в раскаленную духовку. Нагрев лучше делать постепенный, а тушение на газовой плите начинать на небольшом огне.

Непростой уход – еще один минус сковородок и противней из карбоновой стали. Особенно это касается тех предметов, которые не имеют специального защитного покрытия. Их после каждого применения нужно тщательно очищать вручную, просушивать и обрабатывать подсолнечным маслом.

Не всем домохозяйкам подходят такие длительные манипуляции. В таких случаях выбирают карбоновые изделия с защитным эмалированным покрытием или каменной крошкой (мраморной или гранитной).

Достоинства

Все кухонные принадлежности, изготовленные из высокоуглеродистой стали, при правильном уходе служат многие годы. Даже дольше, чем классический чугун! Помимо долговечности, они ценятся за безопасность, так как не выделяют в еду и атмосферу никаких вредных веществ и паров даже при сильном нагреве.

Углеродистая сталь легко и быстро нагревается и распространяет тепло по всему своему периметру. Это важно для емкостей, предназначенных для запекания еды в духовке. В формах и на противнях из карбоновой стали не пригорают пироги, бисквиты, запеканки. Они покрываются золотистой корочкой, а внутри равномерно пропекаются.

Быстрое нагревание металла также важно при приготовлении жареных блюд, особенно если требуется особая прожарка стейка. Часто из этого материала изготавливают тонкостенные сковородки для блинов (блинницы) и покрывают их антипригарным слоем, чтобы тесто не прилипало, а готовое изделие легко отделялось от дна.

Производители

Посуду из углеродистой стали и всевозможные принадлежности для кухни из этого сплава изготавливают многие предприятия, как российские, так и зарубежные. Среди них особым доверием покупателей пользуются следующие торговые марки:

Gipfel;
Regent Inox;
«Нева металл»;
Bekker;
Regent Inox;
Wellberg;
KaiserHoff.

Это цельные и разъемные формы для выпекания, сковороды разного диаметра с крышками и без, воки и грильницы с каменной или гранитной крошкой.

Особой популярностью пользуются противни и подносы, стальные лопатки для снятия пирогов, формы для куличей и приготовления птицы, а также карбоновые вилки для мяса, ножи для стейка, чистки овощей и резки хлеба.

Первозданную красоту посуды из углеродистой стали удается сохранить на многие годы лишь тем, кто правильно ее эксплуатирует и за ней ухаживает.

На карбоновом слое часто жарят продукты с добавлением большого количества масла. Вымывать его остатки лучше после каждой готовки. Для этого используют теплую воду и классический гель для мытья посуды.

Подойдет и мыльный раствор. А вот мытье в посудомойке кухонной утвари из углеродистой стали противопоказано.

После мытья емкости тщательно просушивают, используя бумажное полотенце или салфетки. Если речь идет о посуде без специального антипригарного слоя или керамического покрытия, то ее дополнительно умащивают подсолнечным маслом (после сушки).

Таким образом создается своеобразная защитная пленка против коррозии, которая работает в дальнейшем во время хранения.

Нужно минимизировать или вовсе исключить использование во время мойки металлических скребков и жестких губок. Еду во время готовки в углеродистой кастрюле или сковороде лучше перемешивать не железными ложками и вилками, а силиконовыми и деревянными лопатками.

Для переворачивания кусков мяса подойдут специальные щипцы. Такие меры предосторожности предупредят появление трещин, истирание антипригарного покрытия и образование царапин.

Отзывы

Виктория, 56 лет

У меня давно на кухне несколько сковородок из специальной углеродистой стали. Они легкие, на них быстро прожаривается мясо. Оно получается с румяной корочкой и без сырости внутри.

Мыть такую посуду легко просто под краном. Главное – не оставлять в мокром виде, чтобы не развилась коррозия. И хранить лучше не навалом друг на друга, а отдельно.

Антонина, 41 год

Купила несколько черных разъемных форм для запекания, которые сделаны из карбоновой стали. Они недорогие и выглядят вполне привлекательно. На деле уже несколько раз показали себя отлично.

Запекала курицу в духовке и несколько раз делала бисквит. Мясо получилось вкусное и мягкое, а бисквиты равномерно пропеклись внутри и поднялись, как положено. Значит, этот материал вполне подходит для готовки.

Сергей, 37 лет

Карбоновая подставка для запекания птицы – незаменимая вещь! В моей семье очень любят запеченную курочку. А эта подставка позволяет пропекать ее изнутри. Кстати, по бокам я всегда выкладываю картофель крупными кусками. Он также быстро готовится. Сама подставка потом без проблем отмывается от остатков пищи.

Углеродистая сталь: свойства, маркировка, состав и применение

Углеродистой или, как ее еще называют, углеродной сталью называется инструментальная или конструкционная сталь, не содержащая легирующих добавок. Углеродистая сталь подразделяется на низкоуглеродистую (до 0,25% углерода), среднеуглеродистую (от 0,25 до 0,6% углерода) и высокоуглеродистую (до 2% углерода).

Данный сплав нуждается в термической обработке, после которой становится достаточно твердым и прочным чтобы выдерживать достаточные нагрузки в ответственных узлах. Сплав применяется в производстве инструмента. Углеродистая сталь классифицируется как:

обычного качества;
качественная, содержит до 0,035% фосфора и серы;
высококачественная, содержит до 0,025% фосфора и серы.

Углеродистая сталь благодаря доступной стоимости и высоким прочностным характеристикам относится к широко распространенным сплавам, легко поддается обработке с высокой свариваемостью. Из таких сталей, состоящих из железа и углерода и минимума других примесей, изготавливают различную машиностроительную продукцию, детали котлов и трубопроводов, инструменты высокого качества, проволоку. Широкое применение эти сплавы находят и в строительной сфере. Конкурентом по химическому составу обычной углеродистой черной стали считается нержавеющая сталь, алюминий.

Углеродистые металлы основа для легированных сталей. Легирующие элементы вводятся в состав сталей с целью улучшения ее механических свойств и повышения устойчивости к коррозии. Например, марганец, хром и другие имеют влияние на характеристики. Используя легирующие добавки изменяют физические и химические свойства сплава. Процесс введения легирующих элементов называется легированием. Изготовление из углеродистого сплава легированного подразумевает подсчет количества содержания элементов. Их должно быть не меньше 1%, чтобы они влияли на характеристики. Точные соотношения с содержанием для конструкционных сплавов и инструментальных прописаны в ГОСТ.

Что собой представляют углеродистые стали

Углеродистые стали в зависимости от основной сферы применения подразделяются на:

обыкновенные углеродистые стали
конструкционные сплавы
инструментальные сплавы (популярное решение для производства инструмента)

Характеристики обыкновенной уступают конструкционной углеродистой стали в прочности. Конструкционная сталь по характеристикам хуже инструментальной. Это объясняется процессом изготовления, в металле для инструментов меньше воздуха. В последующих пунктах разберем подробнее процесс изготовления.

Они 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 химических примесей, как марганец, магний и кремний.

Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Поэтому они подразделяются:

высокоуглеродистая сталь содержит в своем составе 0,6–2% углерода;
среднеуглеродистые стали – содержание углерода 0,3–0,6%;
низкоуглеродистые стальные сплавы – содержание 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.

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.

Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси. Элементы: 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. При помощи таких добавок не получится сделать нержавейку, но можно заметно улучшить свойства.

Состав

Для плавки стали используется углерод и дополнительные элементы. В зависимости от будущего назначения сплава к материалу предъявляются определенные требования к качеству: твердость, пластичность, текучесть и т.д. Корректировку этих параметров можно осуществлять с помощью изменения % содержания углерода. Его процентное соотношение к общему объему является одним из основных условий разделения стали на виды.

Их отличительные качества и особенности описаны в нормативных документах:

Обыкновенного качества – ГОСТ 380-85
Конструкционная – ГОСТ 380-88
Инструментальная – ГОСТ 1435-54 и ГОСТ 5952-51

Чем больше содержание углерода, тем выше показатель твердости. Однако нужно учитывать, что одновременно с этим возрастает хрупкость. В зависимости от этого показателя сталь по химическому составу разделяют на:

Низкоуглеродистая – содержание C до 0,25%. Отличается хорошей пластичностью, относительно легко поддается деформации, как в холодном состоянии (годна для холодной ковки), так и под воздействием высоких температур.
Среднеуглеродистые – содержание углерода от 0,3% до 0,6%. Обладает достаточной прочностью, но также имеет хорошие показатели пластичности и текучести, что важно для обработки. Область применения – элементы конструкций, эксплуатация которых подразумевает нормальные условия.
Высокоуглеродистые – от 0,6% до 1,4%. Из нее изготавливают высокопрочный инструмент, приборы для измерения.

Каждый из этих видов стали имеет определенную область применения в зависимости от характеристик.

Характеристики

Воздействуют на структуру и характеристики за счет термической обработки металлической конструкции. Однако, не все поддается корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига. Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов, деталей в различных сферах машиностроения.

Свойства углерода, как простого вещества:

При нормальных условиях плотность составляет 2,25 г/см³.
Температура кипения равна 3506,85 °C.
Молярная теплоемкость – 8,54 Дж/(K•моль).
Критическая температура фазового перехода (когда газ не конденсируется ни при каком давлении) — 4130 К, 12 МПа.
Молярный объем 5,3 см³/моль.

Также стоит перечислить углеродные модификации. Из кристаллических веществ самыми известными являются: алмаз, карбин, графит, наноалмаз, фуллерит, лонсдейлит, фуллерен, а также углеродные волокна.

К аморфным образованиям относится: древесный, ископаемый и активированный уголь, антрацит, кокс, стеклоуглерод, сажа, техуглерод и нанопена.

Но ничто из перечисленного не является чистой аллотропной формой обсуждаемого вещества. Это лишь химические соединения, в которых углерод содержится в высокой концентрации.

Классификация углеродистых сталей

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя разные направления. Рассмотрим основные классификации металлов.

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.

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.

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.

Что такое углеродистая сталь – простыми словами

Промышленность, строительство, транспорт и другие отрасли науки и техники немыслимы без сталей. Из нашей статьи Вы узнаете, что такое углеродистая сталь, в чем их отличие, как их получают и где применяют.

Углеродистая сталь: что это

По определению этот материал представляет собой сплав железа (Fe) и углерода (С), в котором последнего содержится не более 2,14% (или до 2,1% по массе). Углеродистая сталь не имеет в своем составе легирующих элементов, только случайные примеси меди, никеля, хрома, ванадия, титана, прочих металлов и неметаллов – с процентным содержанием до десятых или сотых долей.

С точки зрения химического состава любой такой сплав, не являющийся специально легированным, может называться углеродистым. Материал популярен, он нужен для изготовления инструментов, ножей, пружин, металлопроката и многого другого.

Стали углеродистые подразделяются по своему несложному химическому составу и по сфере назначения. При оценке первого критерия можно заметить схожесть сплавов и по второму.

Состав углеродистой стали включает в себя 2 основных химических элемента: железо Fe и углерод С. Ключевая роль в составе стали принадлежит углероду. Свойства основываются на содержании углерода — бывает сплав:

низкоуглеродистый: доля С – в интервале 0,02-0,25% (к примеру, такие марки как 10, 05кп, Ст1);
среднеуглеродистый: 0,26-0,6% (35, Ст4);
высокоуглеродистый: 0,61-1,35% (70, У13).

Первая группа качественно подходит для свариваемых деталей – низкое содержание углерода позволяет вести сварку практически без дефектов. Материалы удовлетворительно работают на изгиб, отличаются небольшой прочностью.

Вторая группа уверенно себя чувствует в большинстве ситуаций с механической, химической и температурной нагрузкой, материалы усиливаются при термической обработке и увеличивают прочность. Свариваются с определенными условиями. Применяются для постоянно нагруженных деталей по типу шкивов, осей и шестерней

Третья группа не сваривается из-за высокой доли С (образуются поры, трещины и прочие дефекты), но отличается высокой твердостью и прочностью. Материалы задействуются для создания инструмента, пружинящих деталей и специальных механизмов.

Состав углеродистой стали прямо определяет сферу ее использования, которые давно разделены на такие группы:

конструкционные, подразделяемые на стали общего назначения (например, марки Ст1, Ст5), качественные (10, 60) и с повышенной обрабатываемостью (А30);
специальные: рессорно-пружинные (65, 85), подшипниковые (ШХ4) и для строительных конструкций (С285);
инструментальные (У10).

Конструкционные применяют в любой области экономики: от сельского хозяйства до атомного машиностроения.

Специальные используют для создания металлопроката, узлов качения и скольжения, а также рельсов. Последние работают в условиях высокой удельной нагрузки и сильного трения.

Инструментальные — нужны для создания металлорежущей оснастки и инструмента. Высокая твердость позволяет снимать поверхностный слой обрабатываемого металла без появления дефектов на самом резце.

Маркировка углеродистых сталей

Сталь углеродистая маркируется цифрами и буквами, а сам поставляемый прокат дополнительно подкрашивается специальным образом.

Основные правила чтения маркировки и состава углеродистой стали:

если сплав имеет качество нормального уровня, в начале пишется «Ст», после чего указывается цифра, соответствующая максимальному количеству углерода в десятых долях процента, название завершается способом раскисления (к примеру, «Ст2кп»);
при качестве повышенного уровня пишется «Сталь», затем – количество С в сотых долях процента и обозначение имеющейся лигатуры (например, «Сталь 40Х»);
к названию стали высокого качества в конце добавляется «А» («Сталь 20А»);
буква «У» укажет на сталь инструментальную, высокоуглеродистую или специальную («У7»), буква «Р» — на сталь быстрорежущую («Р6М5К5»).

Маркировка цветом производится полосой определенного цвета:

желтая – Ст2;
красная – Ст3;
зеленая – Ст5;
синяя – Ст6, и т.д.

Точная расшифровка химического состава материала, его механических и физических свойств легко находится в специальных справочниках.

Свойства углеродистой стали

Поведение материала зависит не только от содержания углерода, сколько от комплекса физико-химических свойств. На их основе становится возможным охарактеризовать эксплуатационные параметры. Все эти значения сведены в таблицы и справочники, поэтому задача чаще всего сводится к определению ключевых параметров и подборе технического решения.

Базовое требование к стали – механическая прочность как устойчивость к различным нагрузкам. Прочностные характеристики представляют собой комплекс количественно измеряемых свойств:

твердость: устойчивость к вхождению в поверхность материала более твердой поверхности;
предел текучести: величина усилия, от которого материал переходит в деформированное состояние;
предел прочности: величина усилия, от которого начинается разрушение материала;
удлинение: способность к увеличению линейных размеров детали до начала разрушения;
ударная вязкость: устойчивость к динамическим силовым нагрузкам.

Интересно, что при отсутствии значений каких-то показателей возможно достаточно точно указать на поведение стали по другим параметрам – из-за взаимосвязи свойств. После термической обработки соотношение значений меняется. К примеру, после закалки повышается прочность и падает относительное удлинение.

Коррозионная стойкость

В лучшие свойства углеродистых сталей не входит коррозионная стойкость: любая марка теряет свои эксплуатационные показатели при воздействии на нее воды, пара и просто открытого воздуха с высоким содержанием влаги.

Проблема заключается в отсутствии лигатуры. В других материалах устойчивость к окислению получается добавкой отдельных химических элементов (Cu, Mo, Ni, Zn), для углеродистой стали это неприменимо в принципе. Здесь могут присутствовать никель и хром, но в количестве до 0,2%, чего очень недостаточно. Как следствие сплавы уязвимы перед водой.

Коррозионная стойкость повышается с помощью защитных покрытий и термообработки:

нанесение лакокрасочных материалов;
кадмирование, никелирование, хромирование и т.д.

Задача этих техник – создать оксидированный защитный слой, ограждающий сталь от прямого контакта с кислородом.

А вы знаете сколько сохнет холодная сварка? Если нет, то переходите по ссылке на нашу статью.

Износостойкость

Устойчивость к трению и сохранению своей поверхности является одним из базовых свойств стали. Оно проявляется при работе в контакте с другими деталями и в потоках рабочих газовой и жидкой средах.

Износостойкость создается методом снижения шероховатости поверхности и повышением ее твердости. С этим успешно справляются термическая и химико-термическая обработка с последующей шлифовкой:

низкоуглеродистые марки: цианирование и цементация;
среднеуглеродистые и высокоуглеродистые: закалка;
все разновидности: нитроцементация.

При этом на металл воздействуют углеродом, азотом, цианистыми солями. В результате твердость поверхностного слоя доводится до 60-63 HRC, немного повышается устойчивость к коррозии.

Стойкость к воздействию температур

Оптимальный интервал рабочих температур для большинства марок: -100°С..+350°С. Выход за указанные пределы ведет к быстрой потере прочности – из-за слабой устойчивости связки «железо-углерод» в отношении температуры. Типовое эффективное решение – введение лигатуры (Mo, Ma, Si, Ni), но в таком случае теряется суть углеродистой стали.

Больше всего изменения проявляются при нагреве свыше 400°С (потеря до 25% прочности) и свыше 500°С (до 50%).

Технологичность в обработке

Параметр описывает степень сложности при формировании геометрии изделия и полезных свойств материала. У углеродистых сталей технологичность очень высокая, они качественно воспринимают все основные типы технического воздействия:

резание, сверление и другие типы механической обработки – без существенных ограничений;
штамповка, вальцовка – в горячем и холодном состояниях без ограничений;
сварка – с учетом содержания углерода: чем оно выше, тем больше сложностей возникает с предварительным и сопутствующим подогревом, но процесс соединения принципиально выполняется (даже если требуются последующие отжиг или нормализация);
термическая обработка – также по содержанию углерода, но сплавы легко подвергаются всем типам процессов.

Применение именно таких сталей с точки зрения производства детали – оптимальный путь для инженера.

Получить равномерно распределенный углерод в стали – непростая техническая задача. Сегодня производство стали ведется 3-мя основными способами, каждый из которых требует специализированного оборудования.

Кислородно конвертерный способ

Технология производства основывается на расплавлении всего объема чугунной и стальной шихты, загружаемой в конвертер. Масса, перешедшая в жидкую форму, обрабатывается кислородом, в нее добавляется известь – в результате примеси и нежелательные включения выводятся из состава будущей стали.

Особенностями процесса являются сильное окисление металлов (приводит к образованию значительного количества так называемого «угара») и приличный объем пыли. Для очистки воздуха и улавливания летучих загрязнений приходится затрачивать деньги на соответствующие фильтры.

Способ отличается производительностью и не требует значительных затрат на топливо.

Технология заключается в целенаправленном нагреве загружаемого сырья теплостойкими электродами. Через них в закрытую печь подается электрический ток, преобразующийся в теплоту. Генерируемое тепло разогревает шихту и чугун, которые преобразуются в сталь.

Весомое достоинство способа – в низкой степени окисляемости железа внутри печи. Из-за этого сталь удается качественная и с равномерной структурой.

Технология выполняется в мартеновской печи – плавильной установке с уникальной конструкцией (называется по имени своего создателя). В ее отсек подаются куски чугуна и металлический лом.

Готовую шихту разогревают, в ходе чего она становится жидкой однородной массой. На выходе получаются стали в широком спектре марок и с высоким качеством каждой плавки. Метод достаточно старый и в настоящее время применяется все реже и реже. Почти все крупные мартеновские печи в России закрыты.

Применение углеродистой стали

Для создания продукции углеродистые стали подходят как технологичный материал: они хорошо воспринимают обработку и сварку. Их характеристики позволяют работать в широком спектре нагрузок и условий.

Производство деталей машин

Массовое применение находит углеродистая сталь в мире машин и механизмов. Условия работы изделия полностью зависят от содержания углерода в сплаве.

Стали низкоуглеродистые нужны для деталей, на которые не воздействуют сильные нагрузки: втулки, колпаки, крышки, маховики, планки, кольца и пр. Много делается различных металлоконструкций и каркасов. Невысокая механическая прочность компенсируется увеличением поперечного сечения.

Стали среднеуглеродистые хорошо работают при значительных нагрузках: шкивы, зубчатые колеса, валы, рычаги, шпиндели, ролики, штоки и т.д. После механической обработки обязательно выполняется термическая обработка (к примеру, цементация).

Стали высокоуглеродистые применяются в исключительных случаях: пружины, рессоры, цанги, прочие твердые или упругие изделия. Они сложны в изготовлении, поэтому продукция имеет повышенную стоимость.

Производство инструмента

Содержание углерода и лигатуры делает углеродистые стали оптимальным материалом для всевозможного инструмента:

отвертки;
ножницы садовые и по металлу;
ключи гаечные и другие;
ножовки, пилы, режущие полотна, топоры;
напильники и надфили;
плоскогубцы и другой шарнирно-губцевый инструмент;
метчики, плашки;
резцы по металлу и иным материалам;
микрометры, штангенциркули и иные измерительные инструменты;
матрицы для штамповки и многое другое.

Для производства применяют ковку (литье не допускается), прокат упрочняют, заготовки подвергают точению, сверлению, фрезеровке и шлифовке. Одна из основных сложностей – удалить поверхностный слой металла с дефектами от термообработки.

Полезная статья – Что должен знать и уметь сварщик 6 разряда

Производство крепежа

Шпильки, болты, винты и прочие крепежные изделия изготавливаются из таких марок углеродистых сталей:

10, 20: для получения класса прочности до 6.8 включительно, изделие не подвергается термообработке;
30, 35, 45: с классами прочности 5.6, 6.6, изделия проходят термообработку;
35: для класса прочности от 8.8 до 12.9, с термообработкой.

Метод производства: штамповка на автоматах для крупносерийного и массового выпуска и обработка на металлорежущих станках для менее масштабной программы производства.

Читайте также: