Все об углеродистых сталях

На сегодня сталь представляет собой один из самых распространенных материалов, используемых в машиностроении и других отраслях современной промышленности. При этом активное развитие технологий требует разработки новых сплавов с соответствующими свойствами и параметрами. Однако и созданные ранее марки сохраняют свою актуальность. Именно поэтому стоит узнать все об углеродистых сталях, их видах и сферах применения.

В перечень углеродистых входят стальные сплавы, одной из основных особенностей которых является доля углерода в диапазоне от 0,25 до 2%. Еще одна важная отличительная черта – это минимальное содержание серы, фосфора, марганца, кремния и магния.

Согласно актуальной статистике, на сегодня описываемый материал является более чем востребованным. Его доля в производстве широкого ассортимента изделий составляет около 80%. Это обусловлено, прежде всего, влиянием на эксплуатационные характеристики стали углерода. Так, если его содержание меньше 0,8%, то сплав будет иметь перлитовую или же ферритовую структуру.

Стоит отметить, что для ферритной стали характерны повышенная пластичность и недостаток прочности. В ситуации с цементитной разновидностью главным параметром будет повышенная прочность на фоне хрупкости. Увеличение доли ключевого элемента обеспечивает улучшение прочностных показателей, но приводит к снижению показателей вязкости и пластичности.

С этой целью на определенной стадии производства вводят добавки, в роли которых выступают бор и титан, а также цирконий и редкоземельные элементы.

В контексте ключевых различий между описываемым типом сплавов и легированных сталей стоит выделить следующие важные моменты.

• Первые характеризуются присутствием железа, а также примесей, которые могут быть как полезными, так и вредными. К полезным относят кремний и марганец, тогда как в роли вредных здесь выступают фосфор и сера.
• В описываемых сталях отсутствуют легирующие добавки в виде вольфрама, молибдена, титана и прочего, влияющие на характеристики продукта.
• УС является общепромышленным сырьем, а это значит, что они не рассчитаны на специальное применение.

Также важно отметить, что легированные марки имеют более высокие эксплуатационные параметры. И здесь, прежде всего, имеются в виду такие показатели, как теплостойкость и твердость.

Производимые на данный момент виды углеродистых сплавов классифицируются по целому перечню признаков и параметров. К той или иной категории стали относятся с учетом:

• технологии производства;
• степени раскисления;
• качества (наличия вредных примесей);
• сферы применения;
• концентрации углерода.

Другими словами, при классификации принимаются во внимание ключевые характеристики сплавов с учетом сферы применения будущих изделий в том числе.

Суть производства УС сводится к переработке чугунных заготовок. Обязательная составляющая – это максимальное сокращение присутствия вредных примесей. Параллельно обеспечивается необходимое содержание самого углерода. Принимая во внимание методы окисления, выделяют следующие варианты плавки.

• При помощи кислородных конвертеров. Технология базируется на продувке расплавленного чугуна. Этот способ отличается высокой производительностью, однако его явный минус заключается в том, что в сплаве остается немалое количество примесей.
• Мартеновский. Здесь углерод выжигается как при помощи воздуха, так и благодаря введению руды и ржавых металлических изделий.
• Электротермический. Речь идет о применении вакуумных топок и индукционных печей для плавки. В итоге создаются инструментальные сплавы, характеризующиеся высокой жаростойкостью.

Стоит отметить, что последний вариант отличается сравнительно высокой стоимостью обработки.

Частично сократить затраты позволяет использование специального ковша, разогреваемого в вакуумной емкости.

Делая акцент на данный признак, можно выделить следующие три вида состояния.

• Спокойное. Подобные сплавы отличаются однородностью структуры. Раскисляют их введением алюминия, а также ферромарганца и ферросилиция. Такой подход позволяет в полной мере избавиться от закиси железа. Мелкозернистая структура обеспечивается остаточным алюминием. Минус – это сравнительно высокая стоимость выплавки.
• Полуспокойное. Этот тип углеродистой стали занимает промежуточное положение с учетом свойств. Главная особенность технологии получения – это введение небольшого объема раскислителей еще перед заливкой в изложницы. В итоге металл твердеет практически без закипания.
• Кипящее. Такие сплавы являются более доступными в плане стоимости, но при этом не могут похвастаться высоким качеством. В процессе их получения участвует минимум добавок. Важно учесть и такой фактор, как частично выполненное раскисление. Именно это является причиной присутствия в структуре газов.

Сейчас рассматриваемые марки металлов производят с применением разных технологий. Это предсказуемо влияет на свойства материалов, их эксплуатационные показатели и, конечно же, уровень качества. С учетом последнего параметра можно выделить три категории:

• качественные стали;
• материалы, относящиеся к разряду высококачественных;
• УС обыкновенного качества.

В первых двух случаях для получения сплава используются кислородные конвертеры, мартены и более современные образцы техники (электрические плавильные установки). Здесь важно учесть, что, согласно актуальному ГОСТу, к таким металлам предъявляются жесткие требования.

Сталь обыкновенного качества выплавляют в мартеновских печах. На завершающем этапе, как правило, формуются большие по размерам слитки. Кстати, в качестве плавильного оборудования нередко используют упомянутые конвертеры. Подобные марки могут иметь сравнительно высокую концентрацию лишних взвесей, что уменьшает стоимость, но ухудшает характеристики продукта.

Назначение стали представляет собой еще один критерий классификации. И здесь выделяют две основные разновидности сталей.

• Конструкционные, регламентируемые ГОСТом 380-88. При маркировке здесь используют числовые индексы в диапазоне 08-84, что отображает долю углерода в сотых процента.
• Инструментальные, параметры которых закреплены в ГОСТах 5952-51 и 1435-54. Присутствие в обозначениях литеры «У» свидетельствует о принадлежности сплавов к сегменту качественных. После этого символа можно увидеть числовой индекс, свидетельствующий об объеме содержащегося углерода в десятых процента.

Также важно отметить существование подгруппы второй разновидности.

Здесь главная отличительная черта – это максимальная концентрация углерода.

Именно доля углерода оказывает определяющее действие на базовые параметры. И здесь ключевая роль отводится твердости стали. Так, чем выше содержание С, тем прочнее будут стальные изделия. Однако важно помнить, что параллельно с объемом углерода будет увеличиваться хрупкость материала. Принимая во внимание рассматриваемые показатели, УС делят на следующие типы.

• Низкоуглеродистые (в пределах 0,25%). Материалы с низкой концентрацией C характеризуются пластичностью и сравнительно легко поддаются деформации независимо от температурного режима. Такая сталь подходит для холодной ковки.
• Среднеуглеродистые (0,3-0,6%). Эту категорию можно уверенно назвать «золотой серединой» в контексте соотношения прочности, пластичности и текучести, что делает обработку материала максимально легкой. Применяется он преимущественно для создания элементов конструкций, эксплуатируемых в нормальных условиях.
• Высокоуглеродистые (0,6-1,4%). Используются для изготовления инструментов с повышенной прочностью, а также различных измерительных приборов.

Естественно, каждый из перечисленных видов имеет более широкую область применения с учетом эксплуатационных свойств сплавов.

Обозначения существующих на сегодня углеродистых сталей регламентируются соответствующими ГОСТами. Так символы «Ст», которые дополняются цифрами (1 и 2 – это количество, умноженное на 10 и 100, соответственно), отображают долю самого углерода. Об обеспечении гарантированного состава и соответствии химических составляющих будут свидетельствовать буквы «Б» и «В».

Пара букв, расположенных в конце, показывают уровень раскисления. Так «пс» и «кп» – это полуспокойное и кипящее состояние, соответственно.

В ситуациях с маркировкой высококачественных сплавов, применяемых в качестве сырья для изготовления инструментов, будет присутствовать буква «У». Числовой индекс здесь отображает процентное содержание C при десятикратном увеличении. Важно отметить, что число может быть как одно-, так и двухзначным. Отличительной чертой сплавов повышенного качества является наличие в маркировке литеры «А».

Например, обозначение «сталь 45» свидетельствует о том, что в сплаве содержится 0,45% углерода, а концентрация примесей является при этом крайне незначительной. Чтобы понять суть маркировки, можно рассмотреть сталь 09г2с. Расшифровка в данном случае будет иметь следующий вид:

• 09 – количественная доля углерода, составляющая 0,09%.
• Г2 – часть марганца в сплаве, варьирующаяся в диапазоне от 1,3 до 2%.
• С – кремний, на долю которого приходится менее 1%, о чем свидетельствует отсутствие цифры.

УС за счет своих свойств давно нашла широкое применение в самых разных отраслях промышленности и народного хозяйства. Популярность этого сплава сохраняется и в наши дни.

Именно эти характеристики позволяют изготавливать такие важные конструкционные элементы, как:

• маховики двигателей;
• шатунные корпусы;
• зубчатые редукторные передачи;
• поршни насосных установок плунжерного типа;
• коленвалы.

Стали с повышенной концентрацией C, для которых характерна и увеличенная доля марганца, становятся исходным материалом при производстве пружин, торсионов и рессорных листов. То есть речь идет об изделиях, которые должны соответствовать достаточно высоким стандартам с точки зрения упругости.

На сегодня эксплуатационные характеристики низко- и среднеуглеродистых стальных сплавов позволяют широко использовать их при создании элементов конструкций разной сложности и назначения, включая коммуникационные системы. На специализированных прокатных установках производят:

• швеллеры и двутавры;
• уголки с разными полками;
• трубную продукцию;
• профили различной конфигурации, включая изделия, выполняемые по индивидуальным заказам.

Помимо всего изложенного, важно отметить повсеместное использование в подавляющем большинстве промышленных отраслей листового материала разных габаритов, включая толщину, и качества. Знание всех основных параметров УС позволяет использовать их с максимальной эффективностью.

Одним из важных параметров любого металла является температура плавления. В ситуациях с обработкой описываемых материалов изначально важно заметить, что плотность углеродистых сталей практически не изменяется при температурных колебаниях в диапазоне от 20 до 900 градусов. Данный показатель составляет 7,7-7,9 г/см3.

Внести коррективы в структуру и повлиять на свойства сплава можно путем его термической обработки. И достигают желаемых результатов благодаря нагреву стали с ее последующим охлаждением. Термообработка включает в себя следующие виды воздействия:

• закалка;
• отжиг;
• нормализация;
• отпуск.

Главной особенностью закалки является охлаждение разогретого до определенной температуры сплава с достаточно высокой скоростью. В процессе производства на металлургических предприятиях специалисты подбирают этот параметр так, чтобы на выходе был продукт с полноценной мартенситной структурой. Еще один важный момент – это обязательное использование воды, соляных растворов или же специального масла для охлаждения УС при предусмотренных технологией условиях.

Схема реализации процесса является максимально простой и выглядит следующим образом:

1. разогрев сплава;
2. выдержка в течение определенного временного промежутка;
3. охлаждение, которое осуществляется, как правило, вместе с печью, то есть длится достаточно долго.

Отпуск УС – это действенный способ влияния на важные свойства проката. Подобным образом эффективно снимают внутреннее напряжение металла и параллельно повышают его механические показатели. Но важно учитывать, что он является актуальным исключительно для предварительно закаленного материала.

Суть нормализации углеродистых сталей заключается в том, что все этапы термической обработки (нагрев, выдержка и остывание) проходят естественным образом. Подобные манипуляции не являются каким-то особым видом обработки. Нормализацию можно назвать разновидностью закалки и отжига стали.