Классификация стали по содержанию углерода

Классификация углеродистых сталей: марки, маркировка, свойства, применение

Разобраться в таком вопросе, как классификация углеродистых сталей, очень важно, так как это позволяет получить полное представление о характеристиках той или иной разновидности этого популярного материала. Маркировка таких сталей, как и любых других, не менее важна, и специалист должен уметь разбираться в ней, чтобы правильно выбрать сплав в соответствии с его свойствами и химическим составом.

Из углеродистых сталей выпускается огромный ассортимент металлопроката

Отличительные характеристики и основные категории

К углеродистым сталям, основу которых составляют железо и углерод, относят сплавы, содержащие минимум дополнительных примесей. Количественное содержание углерода является основанием для следующей классификации сталей:

• низкоуглеродистые (содержание углерода в пределах 0,2%);
• среднеуглеродистые (0,2–0,6%);
• высокоуглеродистые (до 2%).

Нормы содержания химических элементов в углеродистой стали

Кроме достойных технических характеристик, следует отметить доступную стоимость углеродистых сталей, что немаловажно для материала, широко применяемого для производства самых разнообразных изделий.

К наиболее значимым достоинствам углеродистых сталей различных марок можно отнести:

• высокую пластичность;
• хорошую обрабатываемость (вне зависимости от температуры нагрева металла);
• отличную свариваемость;
• сохранение высокой прочности даже при значительном нагреве (до 400°);
• хорошую переносимость динамических нагрузок.

Есть у углеродистых сталей и недостатки, среди которых стоит выделить:

• снижение пластичности сплава при увеличении в его составе содержания углерода;
• ухудшение режущей способности и снижение твердости при нагреве до температур, превышающих 200°;
• высокую склонность к образованию и развитию коррозионных процессов, что налагает дополнительные требования к изделиям из такой стали, на которые должно быть нанесено защитное покрытие;
• слабые электротехнические характеристики;
• склонность к тепловому расширению.

Отдельного внимания заслуживает классификация углеродистых сплавов по структуре. Основное влияние на превращения в них оказывает количественное содержание углерода. Так, стали, относящиеся к категории доэвтектоидных, имеют структуру, основу которой составляют зерна феррита и перлита. углерода в таких сплавах не превышает 0,8%.

С увеличением количества углерода уменьшается количество феррита, а объем перлита, соответственно, увеличивается. Стали, в составе которых содержится 0,8% углерода, по данной классификации относят к эвтектоидным, основу их структуры преимущественно составляет перлит. При дальнейшем увеличении количества углерода начинает формироваться вторичный цементит.

Стали с такой структурой относятся к заэвтектоидной группе.

Микроструктура сталей формируется в процессе кристаллизации и зависит от содержания в сплаве углерода

Если количество углерода в стали будет превышать 1%, это может привести к тому, что в ее структуре будет формироваться грубая сетка из вторичного мартенсита, что самым негативным образом сказывается на прочности материала.

Именно поэтому в сталях, относящихся к категории высокоуглеродистых, количество углерода, как правило, не превышает 1,3%.

На свойства углеродистых сталей серьезное влияние оказывают и примеси, содержащиеся в их составе. Элементами, которые положительно воздействуют на характеристики сплава (улучшают раскисление металла), являются кремний и марганец, а фосфор и сера – это примеси, ухудшающие его свойства.

Фосфор при повышенном содержании в составе углеродистой стали приводит к тому, что изделия из нее покрываются трещинами и даже ломаются при воздействии низких температур. Такое явление носит название хладноломкости.

Что характерно, стали с повышенным содержанием фосфора, если они находятся в нагретом состоянии, хорошо поддаются сварке и обработке при помощи ковки, штамповки и др.

химических элементов в углеродистой стали различных марок

В изделиях из тех углеродистых сталей, в составе которых в значительном количестве содержится сера, может возникать такое явление, как красноломкость. Суть этого феномена заключается в том, что металл при воздействии высокой температуры начинает плохо поддаваться обработке.

Структура углеродистых сталей, в составе которых содержится значительное количество серы, представляет собой зерна с легкоплавкими образованиями на границах. Такие образования при повышении температуры начинают плавиться, что приводит к нарушению связи между зернами и, как следствие, к образованию многочисленных трещин в структуре металла.

Между тем параметры сернистых углеродистых сплавов можно улучшить, если выполнить их микролегирование при помощи циркония, титана и бора.

Технологии производства

На сегодняшний день в металлургической промышленности используются три основных технологии производства углеродистой стали. Их основные отличия состоят в типе используемого оборудования. Это:

• плавильные печи конвертерного типа;
• мартеновские установки;
• плавильные печи, работающие на электричестве.

В конвертерных установках расплавке подвергаются все составляющие стального сплава: чугун и стальной лом. Кроме того, расплавленный металл в таких печах дополнительно обрабатывается при помощи технического кислорода. В тех случаях, когда примеси, присутствующие в расплавленном металле, необходимо перевести в шлак, в него добавляют обожженную известь.

Печь для конвертерной выплавки стали

Процесс получения углеродистой стали по данной технологии сопровождается активным окислением металла и его угаром, величина которого может доходить до 9% от общего объема сплава.

К недостатку данного технологического процесса следует отнести и то, что он проходит с образованием значительного количества пыли, а это вызывает необходимость использования специальных пылеочистительных установок. Применение таких дополнительных устройств сказывается на себестоимости получаемой продукции.

Выплавка в мартеновской печи – еще одна популярная технология, которую применяют для получения углеродистых сталей различных марок. В ту часть мартеновской печи, которая называется плавильной камерой, загружается все необходимое сырье (стальной лом, чугун и др.

), которое подвергается нагреванию до температуры плавления. В камере происходят сложные физико-химические взаимодействия, в которых принимают участие расплавленные металл, шлак и газовая среда.

В результате получается сплав с требуемыми характеристиками, который в жидком состоянии выводится через специальное отверстие в задней стенке печи.

Сталь, получаемая при выплавке в электрических печах, за счет использования принципиально другого источника нагревания не подвергается воздействию окислительной среды, что позволяет сделать ее более чистой.

В различных марках углеродистой стали, полученной при выплавке в электрических печах, присутствует меньшее количество водорода.

Этот элемент является основной причиной появления в структуре сплавов флокенов, значительно ухудшающих их характеристики.

Каким бы способом ни выплавлялся углеродистый сплав и к какой бы категории в классификации он ни относился, основным сырьем для его производства являются чугун и металлический лом.

Способы улучшения прочностных характеристик

Если свойства марок легированных сталей улучшают посредством ввода в их состав специальных добавок, то решение такой задачи по отношению к углеродистым сплавам осуществляется за счет выполнения термообработки.

Одним из передовых методов последней является поверхностная плазменная закалка.

В результате использования этой технологии в поверхностном слое металла формируется структура, состоящая из мартенсита, твердость которого составляет 9,5 ГПа (на некоторых участках она доходит до 11,5 ГПа).

Само оборудование для плазменной закалки малогабаритно, мобильно и просто в эксплуатации

Поверхностная плазменная закалка также приводит к тому, что в структуре металла формируется метастабильный остаточный аустенит, количество которого возрастает, если в составе стали увеличивается процентное содержание углерода. Данное структурное образование, которое может преобразоваться в мартенсит при выполнении обкатки изделия из углеродистой стали, значительно улучшает такую характеристику металла, как износостойкость.

Одним из эффективных способов, позволяющих значительно улучшить характеристики углеродистой стали, является химико-термическая обработка.

Суть данной технологии заключается в том, что стальной сплав, нагретый до определенной температуры, подвергают химическому воздействию, что и позволяет значительно улучшить его характеристики.

Обработка деталей химико-термическим способом в вакуумной печи значительно увеличивает поверхностную прочность

Другие параметры классификации

Еще одним параметром, по которому классифицируют углеродистые сплавы, является степень их очищения от вредных примесей.

Лучшими механическими характеристиками (но и более высокой стоимостью) отличаются стали, в составе которых присутствует минимальное количество серы и фосфора.

Данный параметр стал основанием для классификации углеродистых сталей, в соответствии с которой выделяют сплавы:

• обыкновенного качества (В);
• качественные (Б);
• повышенного качества (А).

Общие принципы классификации сталей

Стали первой категории (их химический состав не уточняется производителем) выбирают, основываясь только на их механических характеристиках. Такие стали отличаются минимальной стоимостью. Их не подвергают ни термообработке, ни обработке давлением.

Для качественных сталей производитель оговаривает химический состав, а для сплавов повышенного качества – и механические свойства.

Что важно, изделия из сплавов первых двух категорий (Б и В) можно подвергать термообработке и горячей пластической деформации.

Существует классификация углеродистых сплавов и по их основному назначению. Так, различают конструкционные стали, из которых производят детали различного назначения, и инструментальные, используемые в полном соответствии с их названием – для изготовления различного инструмента. Инструментальные сплавы, если сравнивать их с конструкционными, отличаются повышенной твердостью и прочностью.

основных элементов в инструментальных сталях

В маркировке углеродистой стали можно встретить обозначения «сп», «пс» и «кп», которые указывают на степень ее раскисления. Это еще один параметр классификации таких сплавов.
Буквами «сп» в маркировке обозначаются спокойные сплавы, в составе которых может содержаться до 0,12% кремния.

Они характеризуются хорошей ударной вязкостью даже при низких температурах и отличаются высокой однородностью структуры и химического состава.

Есть у таких углеродистых сталей и минусы, наиболее значимые из которых заключаются в том, что поверхность изделий из них менее качественная, чем у кипящих сталей, а после выполнения сварочных работ характеристики деталей из них значительно ухудшаются.

Характеристики распространенных полуспокойных сталей

В кипящих углеродистых сталях, содержащих не более 0,07% кремния, процесс раскисления полностью не завершен, что становится причиной неоднородности их структуры. Между тем их выделяет ряд достоинств, к наиболее значимым из которых следует отнести:

• невысокую стоимость, что объясняется незначительным содержанием специальных добавок;
• высокую пластичность;
• хорошую свариваемость и обрабатываемость при помощи методов пластической деформации.

Как маркируются углеродистые стальные сплавы

Разобраться в принципах маркировки углеродистой стали так же несложно, как и в основаниях ее классификации: они мало чем отличаются от правил обозначения стальных сплавов других категорий. Для того чтобы расшифровать такую маркировку, не нужно даже заглядывать в специальные таблицы.

Примеры расшифровки маркировки

Буква «У», стоящая в самом начале обозначения марки сплава, указывает на то, что он относится к категории инструментальных. О том, в какую качественную группу входит углеродистая сталь, говорят буквы «А», «Б» и «В», проставляемые в самом конце маркировки.

Количество углерода, содержащееся в сплаве, проставляется в самом начале его маркировки.

При этом для сталей, обладающих повышенным качеством (группа «А»), количество данного элемента будет указано в сотых долях процента, а для сплавов групп «Б» и «В» – в десятых.

В маркировке отдельных углеродистых сталей можно встретить букву «Г», стоящую после цифр, указывающих на количественное содержание углерода. Такая буква свидетельствует о том, что в металле содержится повышенное количество такого элемента, как марганец. На то, какой степени раскисления соответствует углеродистая сталь, указывают обозначения «сп», «пс» и «кп».

Углеродистые сплавы благодаря своим характеристикам и невысокой стоимости активно используются для производства элементов строительных конструкций, деталей машин, инструментов и металлических изделий различного назначения.

Углеродистые стали классификация маркировка и применение для изготовления элементов

Сталь является металлом, широко используемым в машиностроении, самолетостроении, строительстве и других отраслях производства.

Популярность материала обусловлена сочетанием его отличных технологических и физико-механических свойств.

К сталям относят железоуглеродистые соединения, химический состав которых предполагает содержание углерода в количестве менее 2,14%, а помимо этого компонента присутствуют вредные и полезные примеси.

Сочетание характерной циклической прочности в статическом состоянии и жесткости достигается путем изменения содержания углерода и легирующих компонентов. Различные качества стали получаются в результате применения в производстве определенных химических и термических технологий.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые сплавы подразделяют по следующим характеристикам:

• количеству содержащегося углерода;
• назначению;
• структуре в состоянии равновесия;
• степени раскисления.

В зависимости от количества углерода материал делят на категории:

• высокоуглеродистые — больше 0,7%;
• среднеуглеродистые — 0,3−0,7%;
• низкоуглеродистые — до 0,3%.

В результате полученного качества стальные сплавы делят на:

• высококачественные;
• обыкновенные;
• качественные.

Из металла в жидком состоянии удаляют кислород для уменьшения хрупкости при горячем формировании, этот процесс называется раскислением. По характеру отвердевания и степени раскисления материал классифицируется как кипящий, полуспокойный и спокойный.

В зависимости от полученной структуры в равновесном состоянии материал делят на:

• эвтектоидные, характеризующиеся структурой из перлита;
• доэвтектоидные, содержащие перлит и феррит;
• заэвтектоидные — со вторичным цементитом и перлитом.

По назначению использования металл подразделяется на группы:

• конструкционные (улучшаемые, высокопрочные, цементируемые, рессорно-пружинные), применяемые в строительстве, приборостроении, машиностроении и самолетостроении;
• инструментальные для штампов горячей (200˚С) и холодной прессовки, измерительного и режущего инструмента).

Конструкционные металлы

Обыкновенные по качеству стали выпускаются в виде балок, прутков, листового материала, швеллеров, труб, уголка и другого проката и делятся на категории А, В, Б.

В наименовании присутствуют буквы Ст и цифра, обозначающая номер марки, с увеличением значения числа увеличивается показатель содержания углерода.

Для материалов категорий В и Б, но не А, перед Ст ставится искомая буква для указания принадлежности.

Группа раскисления обозначается СП, ПС, КП — спокойные, полуспокойные и кипящие, соответственно.

Категория, А используется для производства деталей, получаемых холодной обработкой, Категория Б применяется для элементов, изготавливаемых сваркой, ковкой, по методу термической обработки.

Стали В по стоимости дороже предыдущих категорий, используются для производства ответственных конструкций и сварочных элементов.

Среднеуглеродистые группы с большим запасом прочности используют для рельсов, колес железнодорожных вагонов, шкивов, валов и шестеренок механических приспособлений и машин. Некоторые материалы этой группы разрешаются к термической обработке.

Качественные стали углеродистой группы применяют в слабонагруженных деталях, они маркируются цифрами от 05 до 85, обозначающими процентную концентрацию углерода.

К углеродистым материалам относятся стали с увеличенным содержанием марганца, которые отличаются повышенной прокаливаемостью.

За счет изменения количества углерода, марганца и выбора соответствующего способа термической обработки получают различные технологические и механические качества.

Низкоуглеродистые сплавы отличаются хорошей пластичностью при холодной обработке, но имеют небольшой запас прочности.

Их выпускают в виде листов, материал мягкий, легко штампуется, тянется, сюда относят жесть и металл для эмалированных предметов быта.

При цементировании сталей в производстве увеличивается показатель поверхностной прочности, что дает возможность изготавливать малонагруженные колеса зубчатой передачи, кулачки и др.

По условиям работы запчастей определяется метод усиления сталей в виде нормализации, низкоотпускной и ТВЧ закалки и др.

Из них делают высокопрочную проволоку, рессоры, пружины и повышенными требованиями к износостойкости.

Автоматные виды

Эти материалы маркируются литерой, А и цифрами, указывающими на концентрацию углерода в сотых процента. Легирование свинцом добавляет букву С после А. Введение селена, марганца, теллура позволяет сократить применение режущего инструмента при обработке. На степень обрабатываемости также влияет добавка фосфора, серы и кальция, последний вводится в виде силикальцита в жидкий сплав.

фосфора и серы снижает показатели качества, сера снижает антикоррозионные свойства, сульфидов ведут к нарушению однородности металла. Их этого класса сталей делают детали сложной формы и поверхности, крепежные элементы, рассчитанные на небольшую нагрузку.

Легированные типы

К ним относят металлы с содержанием легирующих добавок в количестве до 2,5%. Буквенные обозначения марки включают литеры, указывающие на определенные примеси, а цифра после них говорит о процентном содержании элемента. Если его содержание менее 1,5%, то в обозначении добавка не ставится.

углерода в этой группе сталей нормируется количеством 0,1−0,3%, к основным свойствам после термической, химической обработки и низкого отпуска после закалки относят:

• высокую твердость материала на поверхности;
• уменьшенную прочность средних слоев и повышенную вязкость.

Стали используют для производства деталей машин и приборов, предназначенных для работы с ударными и переменными нагрузками в условиях повышенной изнашиваемости.

Цементируемые материалы

Для повышения показателей твердости, выносливости при контакте, износостойкости, прокаливаемости используют хром, магний, никель, последний элемент повышает вязкость и снижает предел хладноломкости. Цементируемые составы делят на две группы:

• средней прочности с порогом текучести меньше 700 МПа;
• повышенной прочности с аналогичным показателем в пределах 700−1100 МПа.

По содержанию добавок различают виды:

• хромистые составы и хромованадиевые, цементируемые на глубину менее 1,5 мм;
• хромомарганцевые составы включают титана 0,06%, марганца и хрома по 1%, имеют особенность внутренне окисляться при газовой цементации, что ведет к уменьшению прочностных характеристик;
• хромоникельмолибденовые сплавы являются представителями мартенситного класса и отличаются уменьшенным короблением, что обусловлено воздушной закалкой, легированием редкоземельными металлами, повышающими прокаливаемость, статическую прочность и сопротивление ударам.

Пружинно-рессорные сплавы

Детали работают в условиях упругой деформации и подергаются циклическим нагрузкам, поэтому от сталей требуются высокие показатели текучести, пластичности и сопротивления излому. В состав входят:

• марганец — менее 1,2%;
• кремний — менее 2,7%;
• ванадий — до 0,26%;
• хром — до 1,25%;
• никель — менее 1,75%;
• вольфрам — менее 1,2%.

В процессе обработки уменьшаются размеры зерен, увеличивается сопротивление металла.

Для транспортного производства особо ценными являются кремнистые сплавы, если технология не позволяет им в производстве обезуглероживаться, то выносливость материала остается на уровне заданных параметров.

Введение ванадия, хрома, ванадия, никеля помогает затормозить излишний рост зерен при нагревании и повысить прокаливаемость. Из высокоуглеродистых холоднотянутых проволок, аустенитных нержавеек и высокохромистых мартенситных сталей, также делают пружины и другие упругие элементы.

Для обеспечения надежной работы инструментов сталь должна обладать специальными свойствами, которые проявляются у каждой группы материалов по-разному в зависимости от производства и технологии введения добавок.

Шарикоподшипниковые формы

Сплавы при производстве очищаются от неметаллических примесей, использование технологии вакуумно-дугового или электрошокового переплава уменьшает пористость металла.

При производстве подшипников и их узлов применяют хромистые шарикоподшипниковые стали с добавками хрома. Дополнительное легирование осуществляется марганцем и кремнием с целью увеличить показатель прокаливаемости.

Чтобы детали можно было изготавливать методом холодной штамповки и резать применяется отжиг металла на твердость.

Закалка деталей (роликов, шарикоподшипников и колец) проводится в масляной ванне при температуре 850−870˚С, их охлаждают с целью обеспечения стабильности до 25˚С перед отпуском. Так как подшипниковые и подобные элементы при эксплуатации испытывают сильные динамические нагрузки, то их делают из металлов с дальнейшей термической обработкой и цементацией.

Износостойкие виды

Сопротивление износу повышается с увеличением показателя поверхностной твердости материала. Для долговременной эксплуатации важны такие качества сплава:

• сопротивление разрушению при абразивном трении;
• долговременная эксплуатация в условиях высокого давления и ударных нагрузок.

Износостойкие металлы применяют при изготовлении гусеничных траков, дробильных плит камнедробильного оборудования, раздавливающих щек. Работа в таких условиях эффективна благодаря свойству сталей набирать прочность и твердость в условиях пластической холодной деформации, достигающей 70%. Добавки фосфора больше 0,027% приводят к увеличению хладноломкости сырья.

Литая сталь имеет структуру аустенита, у которого на границах зерен выделяется излишний марганца карбид, ведущий к уменьшению прочности и вязкости. Чтобы получить аустенитную однофазную структуру заготовки закаливают в водной среде при температуре около 1100˚С.

Сопротивляющиеся коррозии

Эти материалы используют для изготовления элементов приборов, работающих в условиях электрохимической коррозии, их называют нержавеющими.

Стойкость к коррозии развивается после введения добавок, ведущих к образованию поверхностных пленок с хорошей адгезией к металлу.

Эти слои уменьшают непосредственное взаимодействие сталей с внешними раздражающими факторами и повышают потенциал в электрохимической среде.

Этот вид подразделяют на ферритные, мартенситно-ферритные и мартенситные сплавы.

Для повышения сопротивления ударам их закаливают в масле при температуре около 1000˚С в условиях высокого отпуска с показателями температуры в пределах 600−800˚С.

Жаропрочные сплавы

Применяют для изготовления элементов, работающих при температуре выше 500˚С, составы низколегированные, содержащие до 0,25% С и других легирующих добавок: хрома, вольфрама, никеля.

Закалка и нормализация осуществляется в масле при температуре около 890−1050˚С.

Из перлитных сталей делают детали, подвергающиеся в работе режиму ползучести при малых нагрузках, например, паронагревательные трубы, арматура котлов с паром, крепежные детали.

Классификация сталей

Стали классифицируют:

• по химическому составу;
• по структуре;
• по назначению;
• по качеству;
• по степени раскисления.

 Классификация сталей по химическому составу

По химическому составу стали подразделяют на:

При определении степени легирования содержание углерода во внимание не принимают, марганец и кремний считаются легирующими элементами при их содержании более 1 и 0,8 % соответственно.

 Классификация сталей по структуре

Структура стали – менее устойчивый классификационный признак, так как зависит от скорости охлаждения (толщины стенки отливок), степени легирования, режима термообработки и других изменяющихся факторов, но структура готового изделия позволяет объективно оценивать его качество.

Стали по структуре классифицируют в состояниях после отжига и нормализации.

В отожженном состоянии стали подразделяют на:

• доэвтектоидные – имеющие в структуре избыточный феррит
• эвтектоидные – структура которых состоит из перлита
• заэвтектоидные – в структуре которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита
• ледебуритные – в структуре которых содержатся первичные (эвтектические) карбиды
• аустенитные
• ферритные

После нормализации стали подразделяют на следующие структурные классы:

• перлитный
• аустенитный
• ферритный

 Классификация сталей по назначению

Конструкционные – стали, предназначенные для изготовления деталей машин и элементов строительных конструкций.

Конструкционные стали подразделяются на:

• обыкновенного качества;
• улучшаемые;
• цементируемые;
• автоматные;
• высокопрочные;
• рессорно-пружинные.

Инструментальные – стали, применяемые при изготовлении режущих и измерительных инструментов.

Инструментальные стали подразделяются на подгруппы по изготовлению:

• для режущего инструмента;
• для измерительного инструмента;
• для штампово-прессовой оснастки.

Специального назначения – стали с особыми физическими и механическими свойствами.

Стали специального назначения подразделяются на:

• нержавеющие (коррозионно-стойкие);
• жаростойкие;
• жаропрочные;
• износостойкие;
• магнитные;
• немагнитные и т.д.

 Классификация сталей по качеству

По качеству стали классифицируются на:

• обыкновенного качества – содержащие до 0,06 % серы и 0,07 % фосфора;
• качественные – содержащие до 0,035 % серы и 0,035 % фосфора;
• высококачественные – содержащие не более 0,025 % серы и 0,025 % фосфора;
• особо высококачественные – содержащие не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора.

Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства (способ выплавки). Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов.

 Классификация сталей по степени раскисления

По степени раскисления стали классифицируют на:

• спокойные (сп);
• полуспокойные (пс);
• кипящие (кп).

Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали.

Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в плавильной печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины.

Дендритная ликвация вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки сечении значительно ниже, чем в продольном.

Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней – уменьшается. Это приводит к значительному ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.

Кипящие стали раскисляют только марганцем, что недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей окиси углерода, создавая впечатление «кипения» стали.

Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Эти стали выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния (менее 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.

При прокатке слитков газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листовой прокат из такой стали предназначен для изготовления деталей кузовов автомобилей вытяжкой, имеет хорошую штампуемость в холодном состоянии.

Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в плавильной печи и в ковше, а окончательно – в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.

 Литература

1. Материаловедение / Ю.Т. Чумаченко, Г.В. Чумаченко. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 320 с.
2. Материаловедение / О.В. Травин, Н.Т. Травина. М.: Металлургия. 1989. 384 с.
3. Металловедение / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
4. Материаловедение / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. – М.: ПрофОбрИздат, 2001. – 240 с.

5. Справочник молодого токаря-револьверщика / Е.О. Пешков. М., Высшая школа, 1966. 179 с.
6. Справочная книга сварщика / А.М. Китаев, Я.А. Китаев. М.: Машиностроение, 1985. – 256 с.
7. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. – М.: Машиностроение, 1982. – 528 с.
8. Общетехнический справочник / Под общ. ред. Е.А. Скороходова. – М.

   : Машиностроение, 1989. – 512 с.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь отличается содержанием углерода до 2,14% без наличия легирующих элементов, небольшим количеством примесей в составе, и небольшим содержанием магния, кремния и марганца. Это в свою очередь влияет на свойства и особенность применения. Она является основным видом продукции металлургической промышленности.

Состав

В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.

Высокая прочность и твёрдость — вот что характеризует углеродистую сталь.

Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.

Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:

• водороду;
• азоту;
• кислороду;
• кремнию;
• марганцу;
• фосфору;
• сере.

Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.

Характеристика

Характеристики и структуру металла меняют, используя термическую обработку, посредством которой, достигают нужной твердости поверхности или других требований для применения стальной конструкции.

Однако, не все структурные свойства поддаются корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным характеристикам относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига.

Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов в различных сферах машиностроения.

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.

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.

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.

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.

Химический состав

По химическому составу стали делятся на:

• углеродистые;
• легированные.

Углеродистые делятся на:

• низкоуглеродистые – содержат до 0,25% С;
• среднеуглеродистые – содержат  от 0,25 до 0,6% С;
• высокоуглеродистые – содержат от 0,6 до 0,2% С.

                                                                                     Легированные делятся на:

• низколегированные – содержанию легирующих элементов до 0,25%;
• среднелегированные – содержанию легирующих элементов 0,25 – 10,0%;
• высоколегированны – содержанию легирующих элементов более 10,0%.

По структуре в отожженном состоянии стали делятся на следующие классы:

• доэвтектоидный;
• заэвтектоидный;
• ледебуритный (карбидный);
• ферритный;
• аустенитный.

Процесс отжига заключается в нагреве стали до определённой температуры. Далее идёт выдержка её в течение определенного времени и последующее охлаждения до комнатной температуры.

Структурный состав

По структуре после нормализации стали делятся на следующие классы:

• перлитный;
• мартенситный;
• аустенитный;
• ферритный.

Нормализацией стали называют процесс нагрева и выдержки материала с последующим охлаждением на воздухе. Нормализация стали по сравнению с отжигом, является более коротким процессом термической обработки и использует другие температурные режимы.

Классификация по качеству

По качеству стали классифицируются:

• обыкновенного качества;
• качественные;
• высококачественные;
• особокачественные.

Стали обыкновенного качества массово применяются в разных отраслях по причине их дешевизны. Не обладает особыми свойствами. Содержат углерод до 0,6%.

Качественные стали бывают углеродистые и легированные. Применяются для изготовления ответственных деталей и узлов. Имеют высокую стоимость.

Высококачественные стали применяется в особо ответственных узлах. Имеют низкого содержания вредных примесей (серы и фосфора).

Особокачественные стали имеют очень низкое содержание серы и фосфора. Применяются в ответственных узлах, которые испытывают высокие динамические нагрузки.

Классификация по степени раскисления

По степени раскисления стали делятся:

• спокойные (сп);
• полуспокойные (пс);
• кипящие (кп).

Спокойные стали содержат малое количество кислорода. Затвердевание происходит спокойно без газовыделения. Спокойные стали массово применяют в сварочном производстве.

Полуспокойные стали затвердевают без кипения, но выделяют большое количество газов. По качеству очень приближены к спокойным сталям и могут их заменить.

Кипящие стали содержат в своём составе большое количество вредных примесей. Они очень хрупкие и плохо свариваются.

Классификация стали по назначению

Конструкционные стали делятся на:

• строительные;
• стали для холодной штамповки;
• цементируемые;
• улучшаемые;
• высокопрочные;
• пружинно-рессорные;
• подшипниковые;
• автоматные;
• коррозионностойкие;
• износостойкие;
• жаропрочные и жаростойкие.

Строительные

Применяются для изготовления конструкций любой сложности, имеют хорошую свариваемость.

Стали для холодной штамповки

К таким сталям относятся низкоуглеродистые стали обладающие высокой пластичностью.

Цементируемые стали

Это стали с содержанием углерода в пределах 0,1-0,3% и работающие при повышенных динамических нагрузках.

Улучшаемые

К улучшаемым относятся среднеуглеродистые и хромистые стали которые подвергаются термообработке (закалке и высоком отпуску).

Высокопрочные стали

К ним относятся стали имеющие специальный химический состав, который при термообработке увеличивают прочностные свойства в разы.

Пружинно-рессорные стали

Применяются в машиностроении для изготовления амортизаторов и рессор высоконагруженных машин.

Подшипниковые стали (шарикоподшипниковые)

К данным сталям предъявляют повышенные требования по прочности, износоустойчивости и выносливости. Данные свойства достигаются за счёт содержания хрома в пределах 1,5%. Ярким примером такой шарикоподшипниковой стали является сталь ШХ15.

Автоматная сталь

Данная сталь используется для изготовления крепёжных деталей на металлообрабатывающих станках. В связи с этим данная сталь должна хорошо обрабатываться на станке путём резания, образовывая легко обламывающуюся стружку. Минусом автоматные стали является низкая пластичность.

Износостойкая сталь

Основное применение – траки гусеничных машин, ковши экскаваторов и землеройных машин. Износостойкость достигается, за счёт введение в сталь марганца.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали

Эти стали содержат хром в пределах от 14%. За счёт хрома происходит образование на поверхности стали оксидной плёнки, что защищает сталь от разрушения в агрессивной среде.

Коррозионностойкие стали делятся:

• Коррозионностойкие. Из них изготавливают различные узлы, которые эксплуатируются при температуре до 600°С.
• Жаропрочные.

  Из них изготавливают клапаны, роторы, лопатки турбин, работающие при высоких температурах (80% от температуры плавления) в течение длительного времени.

• Жаростойкие. Изготавливают ответственные узлы, работающие при высоких температурах (1200°С).

• Криогенные. Применяется для изготовления деталей холодильных установок, работающих при температуре до -200°С.

Инструментальная сталь по назначению делится:

• для режущего инструмента;
• для измерительного инструмента;
• сталь для штампов.

Сталь для режущего инструмента

Имеет высокую твердость и термостойкость, Должна длительное время сохранять режущие свойства, а также выдерживать большие механические нагрузки в процессе эксплуатации.

https://www.youtube.com/watch?v=Wj3yX7R9dE4

Сама сталь для режущего инструмента бывают 3 -х типов:

• быстрорежущие стали;
• углеродистые;
• легированные инструментальные.

Быстрорежущие стали (рапид)

Быстрорежущая сталь (рапид) используют для изготовления режущего инструмента, работающего на высоких оборотах. Обозначается «Р». Пример Р9, Р18.

Углеродистые инструментальные стали

Содержат в себе углерода до 1,3%. Применяются в слесарном инструменте и имеют обозначение «У». Пример: У7, У10, У12.

Легированные инструментальные стали

Содержат легирующие добавки в приделах до 3%. Применяется для изготовления свёрл, фрез и др. режущего инструмента. Пример: 11ХФ.

Стали для измерительных инструментов

Должна обладать твёрдостью и износостойкостью. К такому инструменту относят: штангенциркуль, линейки, калибры, шаблоны и т. д. Для повышенных классов точности применяют стали X, ХВГ, ШХ15. Для пониженных – сталь У10А, УПА, У12А.

Штамповочные стали

задача штамповочной стали обладать высокой твёрдостью и износостойкостью.

Делятся штамповочные стали на:

• стали для штампов холодного деформирования;
• стали для штампов горячего деформирования.

Сталь для штампов холодного деформирования

Обладает высокой твёрдостью и износостойкостью, для обеспечения точного размера заготовки при штамповке.

Сталь для штампов горячего деформирования

Должна обладать всеми свойствами, что и стали холодного деформирования, а также работать в условиях высоких температур (до 600°С).