Углеродистая сталь – это сплав, полученный соединением железа с углеродом и содержащий в ограниченном количестве марганец, кремний, а также попадающие из шихты серу, никель, хром, медь и другие примеси. Главной добавкой, определяющей технологические свойства сталей, является углерод, содержание которого в металле составляет до 2.14%. Доля примесей в углеродистых сталях невелика, и не оказывает существенного влияния на основные характеристики металла.
Углеродистые марки сталей отличаются высокой скоростью закалки и низким показателем прокаливаемости. Стали имеют сравнительно невысокую стойкость против отпуска, низкую теплостойкость и электропроводность. Под воздействием влаги и агрессивных факторов такой металл склонен к корродированию, и в нем сложно добиться сочетания высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью.
Содержание углерода
Основные технологические характеристики стали зависят от процента содержания в их составе углерода. Чем выше его количество, тем лучше показатели прочности. Но, в то же время, его увеличенное количество негативно отражается на показателях пластичности и свариваемости. С учетом концентрации углерода (С) все марки сталей делятся на следующие классы:
Низкоуглеродистые
Процентный состав С в низкоуглеродистых марках стали составляет 0.025 - 0.25 от общего объема металла. Такой состав сплава обеспечивает:
- хорошую свариваемость с применением любого вида сварочных технологий;
- сталь не подвержена отпускной хрупкости;
- стойкость к образованию в структуре флокенов (белых пятен на изломе), снижающих механическую прочность металла;
- после разовой термообработки значительно повышается показатель прочности. Повторный нагрев приводит к его резкому снижению.
Низкоуглеродистые марки стали применяются в малонагруженных деталях и элементах сварных каркасных металлоконструкций, а также изделиях, которые в последующем подвергаются химико-термической обработке – цементации, азотированию и пр.
Среднеуглеродистые стали
Содержание углерода в таких марках стали составляет от 0.25 до 0.6%. Среднеуглеродистые стали также не склонны к образованию флокенов, но чувствительны к подкалке. Это указывает на некоторые трудности при их сварке и требует проведения предварительного или сопутствующего прогрева металла. Все марки стали с средним составом углерода делятся на две большие группы:
- легированные – сплавы, в которых сплава присутствуют добавки (до 5%) в виде марганца, хрома, никеля, кремния. Такой состав обеспечивает металлу повышенные показатели прочности, пластичности и делает его более универсальным в производстве;
- нелегированные – конструкционная сталь, повышение эксплуатационных характеристик которой достигается термообработкой (закаливание, отпуск, нормализация). Используется в производстве деталей, работающих на трение (рессоры, валы, лемехи).
Высокоуглеродистые марки
Сталь с высоким содержанием углерода (от 0.6 до 2.14%) имеет одну отличительную особенность – она плохо поддается сварке. С уменьшением содержания углерода свариваемость сталей ухудшается. При нагреве высокотемпературная дуга создает в области сварочного шва закаленные зоны, снижающие качество соединений и образующие трещины. Поэтому сварка высокоуглеродистых марок выполняется низкотемпературной восстановительного типа дугой.
В стали с высоким содержание углерода элемент присутствует в форме карбида железа Fe3С, поэтому сплавы отличаются повышенной твердостью, прочностью и упругостью, позволяя использовать металл в производстве ответственных деталей и измерительных приборов. Одновременно стали имеют склонность к повышенному старению и хладоломкости.
Группировка по степени раскисления
В процессе плавки сталей происходит накопление в жидком металле газов – кислорода, водорода, азота, монооксида углерода. Присутствие газовых составляющих негативно влияют на структуру и механические характеристики металла, снижая его усталостную прочность, ударную вязкость, пластичность.
Для снижения интенсивности газообразования в расплав стали вводят раскислители – кремний и алюминий, реже марганец. При добавлении этих элементов в расплав остывание металла проходит более спокойно, без интенсивного выделения газа, формирования сульфидов и других включений, повышающих риски расслоения углеродистых сталей в процессе дальнейшей обработки. С учетом активности процесса дегазации в период кристаллизации расплавов, все углеродистые стали делятся на три вида:
- спокойные – имеют плотную мелкозернистую структуру, обладают высокими механическими и технологическими характеристиками. Отличаются высокой стоимостью из-за особенностей производства и на 10-15% меньшим объемом готового проката, чем другие марки сталей;
- кипящие – обладают более низкими показателями прочности, имеют структурную неоднородность, больший порог хладоломкости и повышенный риск растрескивания при сварке. Но, благодаря доступной цене и сниженным потерям при металлообработке, кипящие стали активно используются в производстве неответственных деталей в строительстве и машиностроении, работающих в нормальных условиях эксплуатации;
- полуспокойные - стали являются частично раскислеными, поэтому они характеризуются усредненными показателями качества и основных рабочих характеристик. По сравнению со спокойными они более дешевые, а с кипящими – качественны в металлообработке и надежны.
Процесс раскисления углеродистых сталей и их классификацию регламентирует ГОСТ 380-94.
Качество и назначение
От того, какое содержание углерода присутствует в стали, а также наличия в ней технологических включений, зависит качество расплава. Увеличение содержания таких элементов, как сера и фосфор, провоцирует образование трещин, красно- или хладоломкость, снижает ударную вязкость. По количеству примесей углеродистые стали делят на:
- марки обычного качества – в них процент углерода не превышает 0.49, серы и фосфора – 0.05 и 0.04 соответственно. Выплавляются такие стали в печах любого типа, поставляются на производство в виде фасонных профилей, горячекатаных листов, проволоки, поковок;
- качественные стали – содержат в составе не больше 0.04 и 0.035% серы и фосфора соответственно. Качественные марки стального проката и детали, полученные штамповкой, отличаются повышенной пластичностью, ударной вязкостью, выносливостью, высоким пределом текучести. Детали меньше подвергаются износу, а после термообработки характеризуются повышенной твердостью верхних слоев заготовки.
Такое свойство, как качество сталей определяет назначение изделий и сферу их применения. В связи с этим углеродистые стали делятся на две большие группы:
- конструкционные – применяются для производства металлоконструкций, деталей и комплектующих механизмов, бытового оборудования и устройств. Содержание углерода в конструкционной стали находится в пределах в пределах 0.25-0.50%. Марки выбираются с учетом показателей прочности, глубины прокаливания, параметров ударной вязкости и износостойкости;
- инструментальные – используются в производстве штампов, ручного и механического режущего инструмента. Максимальное содержание углерода в инструментальной стали – 1.35%, в качественных марках 0.028 и 0.03% серы и фосфора соответственно. Сталь отличается повышенными рабочими показателями - прочностью, твердостью, износоустойчивостью и стойкостью к малым пластическим деформациям. Наружные слои инструментальных марок сталей хорошо прокаливаются, а сердцевина сохраняет относительную вязкость, препятствуя преждевременному разрушению деталей.
Содержание углерода в легированных сталей составляет от 0.1 до 1.15%.
Маркировка
В России, как и в странах-участницах СНГ, при заказе металлопродукции, в сопровождающей документации маркировка углеродистых сталей производится с использованием буквенно-цифровой системы. При этом углеродистые стали обычного качества обозначаются буквами «Ст», а рядом указываются цифры от 0 до 6, характеризующие их химический состав. Качественные стали маркируют двухзначными номерами, порядок которых говорит о количестве углерода в сотых долях процента.
Для степени раскисления используют индексы:
- кп – кипящая;
- пс – полуспокойная;
- сп – спокойная.
Инструментальные стали обозначают буквой «У» в начале маркировки. Иногда в маркировке присутствуют буквы, указывающие на назначение – «к» котельная, «л» литейная.
Для примера рассмотрим маркировку следующих видом углеродистых сталей:
Ст5Гпс – конструкционная углеродистая сталь обычного качества, полуспокойная. В составе содержит углерод 0.22-0.3% и марганец до 1.2%.
20кп – конструкционная углеродистая сталь, качественная, кипящая, содержание углерода в пределах 0.17-0.24%.
