Высокоуглеродистая сталь что это

Обновлено: 17.05.2024

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.

Углеродистые конструкционные стали: классификация, свойства, применение

Углеродистые конструкционные стали можно с полным основанием назвать универсальным материалом, который успешно используется не только для производства деталей различных механизмов и машин, но и для изготовления элементов строительных конструкций. Возможность такого широкого использования этого материала обеспечивается целым набором качественных характеристик, которыми он обладает.

Конструкционная сталь марки 14 Г2АФ (квадрат) предназначена для изготовления ответственных изделий

Что собой представляет конструкционная сталь

К данной категории относятся углеродистые стали, которые должны обладать целым набором технологических характеристик, определяющих эффективную и длительную эксплуатацию изделий из них. Это возможно благодаря тому, что специалисты тщательно подбирают химический состав сплавов, постоянно совершенствуют методы упрочнения их поверхностного слоя, используют различные технологии термообработки, а также металлургические методы, позволяющие значительно повысить качество готового металла.

По назначению конструкционные стали делятся на два типа:

сплавы для производства продукции в машиностроительной сфере;
строительные конструкционные стали, которые также называют арматурными (они отличаются в том числе хорошей свариваемостью).

Углеродистые стали, которые называют конструкционными, могут быть общего или специального назначения. В их химическом составе, кроме полезных добавок, содержатся и вредные примеси, наиболее значимыми из которых являются сера и фосфор. Повышенное содержание данных элементов в составе стали делает изделия из нее очень хрупкими, а также значительно ухудшает их свариваемость.

Химический состав углеродистых конструкционных сталей

Именно из-за серьезного влияния таких вредных примесей, как сера и фосфор, на характеристики конструкционных углеродистых сталей в зависимости от количественного содержания данных элементов такие сплавы подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

В конструкционных углеродистых сталях данных категорий сера и фосфор содержатся в следующих количествах:

в сплавах обыкновенного качества (их можно отличить по маркировке «Ст») – не более 0,05%;
качественных (обозначаются как «Сталь») – не более 0,035%;
высококачественных (маркируются буквой «А») – не более 0,025%;
отличающихся особо высоким качеством (маркировка – буква «Ш») – не более 0,015%.

Качественные углеродистые конструкционные стали и области их использования

Углеродистые стали, относящиеся к конструкционным, классифицируются и по другим признакам, о которых будет сказано ниже.

Конструкционные стали в машиностроительной отрасли

Особенности химического состава позволяют выделить в конструкционных сталях, используемых для производства машиностроительной продукции, две большие группы:

мало- и среднеуглеродистые;
низко- и среднелегированные.

Состав и свойства углеродистых машиностроительных сталей

Углеродистые стали, используемые для производства различной продукции в машиностроительной отрасли, должны соответствовать целому ряду качественных и механических характеристик, к самым значимым из которых относятся:

ударная вязкость;
пластичность;
прочность.

Структура большей части конструкционных углеродистых сталей, используемых для производства машиностроительной продукции, относится к доэвтектоидному перлитному типу. Наиболее популярными марками таких сталей являются 30Х2ГСН2ВМ, 30ХГСН2А, 40ХН2СМА, 25Х2ГНТРА и др. Чтобы увеличить вязкость углеродистых сплавов данного типа, в их состав вводят молибден и никель.

Сталь марки 25Х2ГНТА используется для изготовления болтов, балок и сосудов

На различные типы машиностроительные конструкционные стали подразделяют еще и в зависимости от того, подвергнуты ли упрочнению изделия, которые из них изготовлены. Так, различают изделия:

не подвергавшиеся упрочнению;
у которых упрочнению подвергнут только поверхностный слой;
у которых упрочнению подвергнут весь объем металла.

Отдельные марки машиностроительных конструкционных сплавов (08кп, 15кп, Ст3 и др.), из которых изготавливается преимущественно листовой металл, не подвергаются никакой термической обработке. Поскольку такой листовой металл используется для производства различных изделий методом деформирования в холодном состоянии, к его пластичности предъявляются повышенные требования. Такую пластичность обеспечивает минимальное количество кремния и углерода. Кроме способности хорошо деформироваться в холодном состоянии, стали данных марок характеризуются и отличной свариваемостью.

Химический состав штамповых сталей

Конструкционные стальные сплавы, относящиеся к категории качественных, в обязательном порядке подвергаются термической обработке:

закалке поверхностного слоя, после которой может быть проведен отпуск металла;
закалке, выполняемой по стандартной технологии, после которой в обязательном порядке проводится процедура отпуска (сочетание данных типов термообработки металла дает хорошую свариваемость изделий из него);
нормализации металла.

Марки и характеристики машиностроительных конструкционных сплавов

Машиностроительные стали специального назначения могут иметь никелевую или железоникелевую основу. Кроме того, их подразделяют на следующие категории:

используемые для производства изделий методом литья;
так называемые автоматные;
отличающиеся повышенной износостойкостью;
с повышенной коррозионной устойчивостью;
шарикоподшипниковые;
пружинные;
отличающиеся повышенной жаростойкостью;
криогенные, не теряющие своих качественных характеристик при воздействии низких температур;
жаропрочные.

Марки автоматных сталей

Жаростойкие стальные сплавы, в химическом составе которых содержится незначительное количество кремния, могут успешно эксплуатироваться при температурах, достигающих 5500 Цельсия. Такие углеродистые стали, кроме своей жаростойкости, отличаются целым рядом значимых характеристик: они успешно эксплуатируются в окислительных и науглероживающих средах, не подвергаются газовой коррозии. Есть у них и серьезный недостаток, проявляющийся в том, что под воздействием значительных нагрузок они начинают проявлять ползучесть.

К наиболее популярным маркам таких сталей относятся 12Х17, 15Х28, 15Х6СМ, 20Х20Н14С2 и др. Они используются преимущественно для производства:

емкостей, в которых выполняется цементация стальных деталей;
деталей двигателей поршневого типа;
трубных изделий различного назначения.

Свойства жаропрочных сталей

К группе криогенных сплавов, которые отличаются высокой вязкостью и пластичностью, могут относиться как низкоуглеродистые, так и высоколегированные стали. Что характерно, ползучесть таких сталей повышается не только при понижении температуры их эксплуатации, но и при выполнении термической обработки, которая заключается в нормализации и последующем отпуске. Маркировка конструкционных сплавов данного типа регламентируется требованиями соответствующего ГОСТа (5632).

Конструкционные углеродистые стали, относящиеся к категории жаропрочных, обладают повышенной ползучестью. Их отличает и такое качество, как высокая сопротивляемость химической коррозии. Эти углеродистые стали оптимально подходят для производства труб, деталей газовых и паровых турбин, работающих при температурах в интервале 400–6500 Цельсия. Наиболее востребованными марками являются 15ХМ, 15Х5М, 12Х18Н9Т, ХН70Ю и др.

Цельнокованый ротор турбины, произведенный из стали 25Х1М1ФА

Конструкционные углеродистые стали, относящиеся к категории коррозионностойких, отличаются тем, что в их составе содержится более 12,5% хрома. Именно данный элемент дает возможность успешно использовать их для производства изделий, которые испытывают воздействие агрессивных сред (трубы различного назначения, карбюраторные валы, лопатки паровых турбин и др.). Такие стали могут быть нескольких типов:

с мартенситной структурой (30Х13, 12Х13, 20Х17Н2, 95Х18);
с мартенситно-стареющей (09Х15Н8Ю, 10Х17Н13М3Т);
с аустенитной и ферритной (12Х18Н10Т, 15Х28 и др.).

Чтобы изделия из конструкционных углеродистых сталей всех указанных выше типов хорошо сваривались, их необходимо подвергнуть отпуску. Примечательно, что, несмотря на значительные различия в своих качественных характеристиках, жаропрочные, жаростойкие и криогенные стали принадлежат к коррозионностойким сплавам.

Особенности других типов конструкционных сталей

Конструкционные сплавы, относящиеся к категории износостойких, содержащие в своем составе значительное количество легирующих добавок, могут быть низко- и высокоуглеродистыми. Из таких сталей, отлично противостоящих не только механическому изнашиванию, но и кавитационной коррозии, производят элементы дробильного оборудования, траки, лопасти насосного оборудования и др. Наиболее популярными марками этих сплавов являются ОХ14АГ12, ОХ14АГ12М, 12Х18Н9Т, Г13.

Углеродистые стали, которые относятся к категории автоматных (А40Г, АЦ40Г2, АЦ45Х и др.), включают различные элементы: 0,6–1,5% марганца, 0,05–0,16% фосфора, 0,05–0,3% серы. Углерода в таких сплавах содержится до 0,45%. Значительно улучшить их качественные характеристики позволяет добавление таких элементов, как селен, свинец и кальций. Из этих конструкционных углеродистых сталей, не отличающихся высокой прочностью, изготавливают детали для автопрома: болты, шпильки, шайбы и др.

Сферы применения некоторых пружинистых сталей

Пружинистые стали (50ХФА, 55С2, 60С2ХФА, 65ГЮ, 70С2ХА и др.) в полном соответствии со своим названием отличаются хорошей вязкостью и пластичностью, также их характеризуют высокая прочность и упругость. Сюда относятся как низколегированные, так и среднеуглеродистые сплавы, в которых содержится 0,6–0,8% углерода. При их сваривании могут образовываться трещины. Такие стали используются для производства пружин и рессор различного назначения.

К категории улучшаемых относят конструкционные стали, внутреннюю структуру которых составляет мартенсит в форме мелких игл. В плотной структуре таких углеродистых сплавов отсутствуют неметаллические включения, а также карбидная ликвация и сетка. Главными достоинствами этих низколегированных и высокоуглеродистых сталей (содержание углерода – до 1,05%) являются повышенная твердость и износостойкость. Отличительной особенностью маркировки таких сплавов является то, что она всегда начинается с литеры «Ш» (ШХ4, ШХ15Ш, ШХ15СГ и др.).

Сталь марки ШХ15 применяется для производства изделий. от которых требуется износостойкость, высокая твердость и контактная прочность

Конструкционные стали в строительстве

Конструкционные углеродистые стали, используемые в строительстве, отличаются небольшим объемом легирующих элементов (хрома, марганца и кремния), а также содержанием углерода в пределах 0,1–0,2%. Такие стали, кроме хорошей свариваемости, наделены следующими характеристиками, которые особенно полезны при изготовлении строительных конструкций:

хорошей ковкостью и жидкотекучестью;
высокой твердостью и ударной вязкостью;
оптимальными параметрами относительного удлинения и прочности.

При сооружении мостовых переходов и путепроводов используются стали 10ХСНД, 15ХСНДА, 16Д ГОСТ 6713-91 и другие

Изготовление изделий, используемых в строительной сфере, не из углеродистых, а из низколегированных сталей позволяет значительно сэкономить на используемом сырье (до 30%). Легирование таких сталей не только улучшает их закаливаемость, но и повышает предел их текучести.

Наиболее популярными марками рассматриваемых сталей, которые поставляются в виде сортового проката, листов, полос и прутков, являются:

Стали для строительных конструкций

Как уже отмечалось выше, стали данной категории легко поддаются сварке, а также другим методам обработки, что позволяет без особых трудозатрат создавать из них строительные конструкции любого размера и конфигурации.

Выплавка и применение высокоуглеродистой стали

Любая сталь — это сплав. В основном он состоит из железа и углерода (обозначается буквой С), и в него могут добавляться различные легирующие элементы, влияющие на физические свойства конечного продукта. Сталь может быть высоко- и низколегированная, особого назначения, кипящая, спокойная и полуспокойная. Бывает мало- средне- и высокоуглеродистая сталь, разделение зависит от количества углерода в их составе. При повышенном количестве углерода, сталь является высокоуглеродистой.

Высокоуглеродистая сталь

От содержания углерода в составе зависят характеристики стали. Он может содержаться в сплаве в количестве от 0,02 до 2,14%. К высокоуглеродистым относятся стали, где количество углерода более или равно показателю 0,6 %. С увеличением количества углерода в составе стали, увеличивается содержание цементита, а феррита уменьшается. Металл становится более твердым и прочным, но теряет пластичность. Такая закономерность применима для стали с содержанием углерода не более 1 %. Если же его процент в составе повышается, то формируется сетка вторичного цементита, что приводит к снижению прочности.

Водороду.
Азоту.
Кислороду.
Кремнию.
Марганцу.
Фосфору.
Сере.

Присутствие данных элементов объясняется методом, которым выплавлялась сталь: кислородно-конвертерным, мартеновским или вакуумным. Углерод же добавляется в сплав намеренно, при его низких исходных показателях. Наличие марганца в стали увеличивает ее прокаливаемость, значительно повышает прочность и износостойкость, устраняет вредное влияние серы, из-за большого количества которой при ковке металл образует трещины. Поэтому марганец присутствует практически во всех типах стали.

При повышении в составе металла углерода меняются и другие свойства сплава. Снижается его ковкость и увеличивается электрическое сопротивление. При очень высоком содержании углерода металл становится хрупким. Не случайно, при содержании углерода в составе более 2,4%, металлические сплавы относят к чугунам. Эти материалы хуже прочих обрабатываются резанием и давлением, у них снижен показатель жидкотекучести. По этой причине конструкционные изделия и детали из такой стали не изготавливают. Она применяется для производства деталей методом отливки, также из такой стали изготавливают проволоку, которую обрабатывают методом штамповки.

Сварка

Способом сварки изделия из высокоуглеродистой стали стараются не соединять. Из-за повышенной температуры в сварном шве и зоне вокруг него возникают трещины, из состава стали выжигается углерод и в области сварки появляются закаленные сегменты, металл становится пористым. В связи с такими особенностями сварочных работ, выполнять их с этим видом стали стоит при крайней необходимости или ремонтных работах. При этом нужно пользоваться электродами с невысокой тепловой мощностью. Сварочная дуга должна быть не окислительного, а восстановительного типа. Отрицательных эффектов сварки можно избежать если предварительно прогреть соединяемые детали до 200-250 градусов.

Маркировка

Буква «У» в начале маркировки обозначает содержание углерода в пределах 0,75%, сталь относящуюся к категории инструментальных, цифры, располагающиеся после буквы означают содержание в стали углерода в десятых долях процента.
«А» в составе маркировки указывает что сплав относится к категории высококачественных сталей.
«Ш» означает, что сталь высокого качества.
Буквы «сп», «пс» и «кп» присутствующие в маркировке обозначают степень раскисления стали, спокойный, полуспокойный и кипящий соответственно.
«Г» означает наличие в сплаве марганца в количестве 0,8% и более.

Маркировка стали дает возможность узнать полную информацию о конкретном виде стали, по характеристикам можно точно подобрать металл для своих целей.

Использование

Высокопрочной проволоки.
Стальной дроби, использующейся для абразивной обработки материалов (рубленой, литой, колотой).
Тросов.
Штоков.
Пружин.
Режущих инструментов.
Деталей землеройных и сельскохозяйственных машин.

Углеродистая качественная конструкционная сталь 15, 35, 45, 50 используется для деталей с последующей цементацией, чтобы повысить твердость, износоустойчивость деталей:

Валов.
Зубчатых колес.
Осей.
Гаек.
Болтов.
Напильников.

Прочие детали, в процессе эксплуатации испытывающие трение.

Марки ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, имеющие легирующую добавку хрома, используют для изготовления подшипников.

Инструментальную сталь повышенного качества широко применяют при производстве металлообрабатывающих инструментов особой твердости: резцов, зенковок, сверл.

Информацию по всем углеродистым металлам можно найти в различных ГОСТ. Как правило, в первую очередь специалисты обращаются к стандартам № 1050 от 1988 и № 380 от 2005 годов, в которых по отдельным позициям есть сноски на иные нормативные документы.

Высокоуглеродистая нержавеющая сталь

Если объединить высокоуглеродистую и нержавеющую сталь для получения высококачественной углеродистой нержавеющей стали, то состав такого металла возьмет лучшее из каждого сплава. Эта сталь устойчива к ржавчине или окрашиванию и она очень твердая. Как правило, этот сплав считается сплавом из высококачественной нержавеющей стали.

Углеродистая нержавеющая сталь имеет хороший край при заточке, и этот твердый металл очень подходит для изготовления ножей. Нож из высокоуглеродистой нержавеющей стали хорошо и долго держит заточку, не темнеет, не впитывает посторонние запахи от приготовляемых продуктов. В нем удачно сочетаются положительные стороны нержавеющей и высокоуглеродистой стали и нивелированы недостатки каждой из них.

Изготовление

Изготовлением металлов и их сплавов занимается металлургическая промышленность. Процесс получения высокоуглеродистой стали — это переплавка чугуна с уменьшением в составе количества серы и фосфора и регулировкой содержания углерода до требуемых концентраций. Различные методы проведения таких процессов позволяют выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Это вид обработки, при котором расплавленный чугун продувается воздухом (бессемеровский метод) или чистым кислородом. При таком способе углерод окисляется и выгорает из сплава, в результате чего чугун постепенно становится сталью.

Бессемеровский метод выплавки стали сейчас не используется из-за невысокого качества получаемого сплава, который в процессе производства насыщался газами и не освобождался от серы и фосфора. Сталь получается прочной, но склонной к быстрому старению.

Мартеновский способ

Это метод, при котором углерод из чугуна выжигается не только с помощью кислорода, но и за счет добавления железной руды и заржавевших металлических изделий. Этот процесс происходит в огромных печах, куда подается горячий воздух и горючий газ. Размер ванн для расплавления первоначальных ингредиентов в таких печах очень велик, они вмещают до 500 тонн жидкого металла. Температура в плавильной ванне достигает 1700 градусов и поддерживается на этом уровне. Выжигание углерода вначале идет под воздействием кислорода, присутствующего в повышенном количестве в горючих газах, а затем посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства. Плавка стали происходит в течение 7 часов, за это время возможна регуляция состава добавлением нужных руд или металлического лома.

Электротермический (вакуумный)способ

Он позволяет выплавить качественную сталь с минимальным количеством посторонних добавок. Преобразование первоначального сырья в сталь происходит в вакуумной среде, без доступа воздуха, из-за чего этим способом изготавливаются металлы намного качественнее, чем при других видах плавки. Благодаря улучшенным свойствам этой стали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Стоимость такого вида обработки металлов дороже, поэтому таким способом изготовления сплавов пользуются в случае технологической необходимости изготовления высококачественного изделия. Для того, чтобы удешевить процесс, используют специальный ковш, который помещают внутрь вакуумной печи и разогревают.

Заключение

Зная и применяя специфические характеристики высокоуглеродистых сталей, их используют в различных отраслях промышленности. Изучение таких свойств и специфики отличий позволит безошибочно использовать требуемый материал.

Семейство конструкционных сталей — основа машиностроения и строительства

Конструкционная сталь — материал особой прочности и пластичности, что обеспечивает высокую сопротивляемость к разрушению изготовленных из нее конструкций. Представляет собой сплав, определенные характеристики которого позволяют использовать многопрофильный материал для изготовления промышленных механизмов и строительных конструкций.

Что такое конструкционная сталь

К механизмам и конструкциям, используемым на предприятиях обрабатывающей промышленности и строительстве, предъявляются высокие требования по качеству и стойкости. По этой причине металл для их производства должен обладать особыми технологическими свойствами для обеспечения безаварийной эксплуатации в различных условиях окружающей среды. Этим требованиям соответствует группа конструкционных сталей, представители которой наделены заданными параметрами химических, физических и механических свойств.

Состав конструкционных сплавов содержит набор полезных добавок – железо, марганец, медь, кремний и другие элементы, но основным параметром, определяющим все свойства стального проката, является углерод. Увеличение содержания углерода в сплаве повышает прочность металла и порог его хладноломкости, что позволяет стальным конструкциям выдерживать суровые климатические условия, а также высокие промышленные нагрузки.

сталь углеродистая качественная;
легированная качественная.

фосфор (P) наделяет металлопрокат способностью к растрескиванию и поломкам по ходу механической обработки (холодной);
сера (S) способствует трещинообразованию под действием высокого давления во время горячей обработки (спектр красного каления).

Применение деталей из углеродистого металла с высоким содержанием фосфора и серы оправдано при необходимости повышения степени обрабатываемости изделия методом резания (автоматные виды сталей).

Маркировка

конгломераты обыкновенного качества, содержащие до 0,05 % вредных добавок, маркируют обозначением «Ст»;
качественный металл, содержащий максимум 0,035% серно-фосфорных примесей, имеет маркировку «Сталь»;
высококачественное металлическое сырье, содержащее до 0,025 % примесей, снабжают завершающей буквой «А»;
особовысококачественные с 0,015 % фосфора и серы маркируют конечной буквой «Ш».

Исходя из сферы применения металлопроката, он бывает строительным (в основном низкоуглеродистый тип) и машиностроительным (средняя и низкоуглеродистая категория). Среднеуглеродистую конструкционную сталь (0,25-0,55 % серы) используют в машиностроении благодаря хорошему сочетанию механических свойств после термической обработки. Металл с низким содержанием углерода применяют для строительных работ по причине хорошей степени свариваемости, низкой склонности к старению.

Углеродистая конструкционная сталь

Качество металлопроката этого типа может быть обыкновенным и высоким. Материал обыкновенного качества более дешевый за счет меньшей очистки от вредных компонентов, отличается большим количеством неметаллических примесей.

Градация по качественному показателю

А – сплавы этой группы не требуют дальнейшей термической обработки, что способствует сохранению заводских свойств исходного металла. Маркировка стандартная – буквы «Ст» плюс цифры, обозначающие степень прочности и пластичности – Ст1, Ст3 и т.п.
Б – гарантированный химический состав материала этой группы поддается раскислению. Маркировка содержит букву «Б» с указанием степени раскисления в конце – БСТ3сп (спокойная), БСт1кп (кипящая). Числом обозначают процент углерода.
В – группа сталей повышенного качества с гарантированным химическим составом выдерживает механическую обработку. Маркируется буквами ВСт1, ВСт3 и т.д. Для производства изделий из металла этой группы потребуется дополнительная обработка, преимущественно сваркой.

Металлопрокат обыкновенного качественного состава применяют для изготовления деталей, требующих сварки, необходимых для работы в условиях небольших нагрузок. Конструкционную сталь этого типа в основном используют в автомобильной промышленности, а также в строительном деле для конструкций массового предназначения.

Металл обыкновенного типа соответствующих марок используют для производства гвоздей, проволоки, заклепок. Из конструкционного материала выпускают оси и валы, работающие под слабой нагрузкой, различные виды крепежных деталей, используют для получения фасонного проката.

Ограничения

Содержание углерода, обозначаемое цифровым индексом, накладывает определенные ограничения на качество, область применения стальных изделий.

Наименование	Свойства изделий, сферы применения
Низкоуглеродистые	Малонагружаемые детали из этого материала отличаются небольшой прочностью при высокой пластичности и уровне свариваемости. Изделия пригодны для штамповки холодным способом, исключив термическую обработку. Из металлического сплава производят сложные детали для автомобилей, ответственные сварные конструкции
Среднеуглеродистые	Среднеуглеродистой конструкционная сталь становится после улучшения методом закалки и горячего отпуска (до 650°С). Эти показатели повышают прочность стальных деталей, но понижают пластичность, что допускает обработку резанием. Улучшенный закалкой материал высокой прочности применяют в машиностроении
Высокоуглеродистые	Для высокоуглеродистых материалов характерен высокий процент марганца. Из такого вида металла производят изделия, которым требуется повышенная упругость, износостойкость (рессоры, пружины). После отжига материал хорошо поддается обработке резанием
Качественные	Конструкционный материал этой категории содержит увеличенную долю примесей – серно-фосфорных, свинцовых добавок. Качественный металл применяют для выпуска деталей, подвергающихся повышенной обработке, не вредящей металлорежущему инструменту. Это класс автоматных сталей, обогащенных серой, фосфором, свинцом, предназначенных для работы на станках-автоматах

Для повышения износостойкости металлоизделий применяют графитизацию, наклеп, наплавку. Подобные методы улучшения параметров конструкционной стали позволяют добиться повышения твердости материала, устойчивости его к износу.

Область применения

Конкретную область применения углеродистого металлопроката определяют его характеристики.

Конструкционные сплавы	Свойства сталей, области применения
Машиностроительный	Применяют для производства автомобилей благодаря высоким механическим свойствам, распространяющимся на весь материал. Детали машин отличаются надежностью, хорошо сопротивляются большим нагрузкам, ударному воздействию, сохраняя повышенную прочность
Строительный	Из углеродистых сплавов изготавливают мостовые конструкции , фермы, оборудование нефте- и газопроводов. Основное требование к сталям конструкционным этого типа – хороший показатель свариваемости при небольшом объеме легирующих компонентов. Повышению прочности способствует легирование кремнием, а также марганцем
Арматурный	Арматурой из стального материала армируют железобетонные конструкции, что способствует повышению их прочности при воздействии нагрузок. Этот тип металла представлен прутками (гладкими, профилированными) и проволокой. В зависимости от требований прочности к конструкциям (предварительно напряженные либо ненапряженные) стальную арматуру упрочняют термической обработкой
Пружинный	Свойства упругости используют для изготовления пружинной стали. Основное требование к металлу конструкционного типа – повышенная текучесть, которая достигается методом закалки с отпуском в температурном режиме до 400°С. Такой уровень температуры обеспечивает наивысшее значение предела упругости. Конструкционные стали для особо нагружаемых пружин усиливают добавкой ванадия и хрома
Шарикоподшипниковый	К изделиям предъявляется требование особой твердости из-за высоких локальных нагрузок. По этой причине для получения металлопроката выбирают высокоуглеродистую сталь. Легкость закалки при низких температурах и применении масла обеспечивают легированием хромом, для улучшения прокаливания вводят кремниево-марганцевые элементы
Цементуемый	Этот вид содержит 0,1-0,25 % углерода, что позволяет использовать их для производства изделий, подвергающихся цементированию. Детали цементуемого и цианируемого класса (болты, шестерни, гайки и т.д.) имеют небольшие размеры при повышенной прочности благодаря введению полезных добавок

Котельная разновидность углеродистых сплавов производится в виде котельных листов двух типов – толстолистовой материал толщиной свыше 4 мм и тонколистовая основа меньше 4 мм толщиной. Из котельного типа стали изготавливают паровые котлы (водогрейные), а также сосуды (паропроводы, коллекторы, трубы), способные выдерживать повышенные температуры (до 450 o С) при высоком давлении пара. Качественный металлопрокат обладает хорошей свариваемостью, маркируются буквой «К» на конце (12К, 16К, 22К и т.д.).

Особенности легированных сплавов

Наряду с углеродистыми качественными сталями, для конструкций в строительстве, а также для деталей машиностроения и приборостроения применяют легированную сталь. Легирование металла (обогащение основного состава полезными добавками) наделяет готовые изделия рядом специальных свойств, улучшает технологические, прочностные, физико-химические качества.

до 2,5-5 % примесей – материал низколегированный;
до 10 % добавок – металл среднелегированный;
свыше 10 % примесей – высоколегированный прокат.

Легированная конструкционная сталь применяется для самых ответственных узлов механизмов, подвергаемых особо тяжелым нагрузкам. Для обеспечения высокой конструктивной прочности такие детали обязательно проходят окончательную термическую обработку для гарантии повышенной прочности.

начинается с двух цифр, обозначающий процентный состав углерода;
русской буквой прописывают конкретный элемент легирования;
следующая за буквой цифра указывает процентное содержание этой присадки;
завершающая буква «А» сообщает, что сталь высококачественная.

Преимущества добавок

повысить прочность, не подвергая изделия термической обработке;
усилить твердость, ударную вязкость, уровень прокаливаемости;
обогатить особыми свойствами (жаропрочность, стойкость к коррозии).

Разные виды добавок улучшают определенные показатели конструкционной стали. Введение никеля способствует повышению ударной вязкости, а в содружестве с хромом обеспечивает способность к глубокому прокаливанию. Подобное сочетание примесей гарантирует равномерное улучшение свойств конгломерата по всей площади сечения.

Недостатки

К недостаткам хромоникелевого улучшения можно отнести вероятность хрупкости после отпускного процесса. Недостаток устраняют путем введения молибдена (0,2-0,4 %). Область применения легированного материала этого вида – крупные цементируемые изделия (валы, шестерни, шатуны) улучшенной прочности, износостойкости, пластичности. Для существенного усиления этих свойств молибден заменяют присадкой вольфрама, которая устраняет также отпускную хрупкость.

Наиболее распространенный дефект конструкционных сплавов – появление флокенов. Это трещины (белые пятна) внутри стальной детали, которые можно заметить на изломах. Флокены снижают усиление механических свойств, превращая сталь в непригодный для использования материал.

Появление тонких нитеобразных дефектов (волосовины) связано со скоплением неметаллических примесей, представляющих собой продукты раскисления. Их направленность отражает текучесть металла под действием давления во время горячей обработки. Преимущественный состав волосовин – силикатные включения.

Изделия из легированных сплавов малоуглеродистого вида часто страдают от межкристаллических трещин. Причина образующихся дефектов связана усадкой, их расположение обычно совпадает с осью слитка. На поверхность трещины не выходят в отличие от волосовин, с целью их устранения поверхность заготовки подвергают зачистке. Для защиты от появления дефектов, ухудшающих качество металла, разработан ряд специальных мероприятий.

Читайте также: