Все о низкоуглеродистой стали

Низкоуглеродистая сталь получила широкое распространение в промышленной и строительной отраслях. Её высокая популярность связана с физико-химическими характеристиками и доступной ценой. Сегодня подробнее поговорим об этом сплаве.

Сплав железа с углеродом получил название «углеродистая сталь». Включение углеродных компонентов позволяет многократно усилить жесткость готового материала. Эта сталь обладает прочностью и твердостью, но при этом утрачивает свою пластичность. Варьируя количество углерода, можно модулировать свойства металла в соответствии с технической необходимостью. Минимальная концентрация этого элемента в сплаве не превышает уровня в 0,25% — такие составы классифицируются как малоуглеродистые. Низкоуглеродистые стали не изменяются при закалке.

В соответствии с действующими ГОСТ 3800-2005 и 1050-9, помимо железа и углерода, структура низкоуглеродистой стали может включать дополнительные компоненты.

• Кремний — до 0,3%, повышает физико-механические параметры, особенно прочность, а также ударную вязкость. Повышение концентрации кремния в составе способствует лучшей свариваемости материала.
• Марганец — до 0,8%, относится к категории полезных добавок. Молекулярное строение марганца напоминает кислород, поэтому он вступает с ним в химическую реакцию и тем самым препятствует формированию окислов железа, то есть ржавчины. Сплавы, подвергнутые легированию марганцем, легче справляются с высокими динамическими нагрузками и проявляют податливость к тепловому воздействию.
• Сера — до 0,6%, это вредная примесь. Она существенно усложняет обработку сплава прокаткой, ковкой и другими техниками. К тому же материал получается красноломким и плотным, сера ухудшает параметры отпускной хрупкости и понижает плотность сварного шва.
• Фосфор — до 0,08%, способен искажать кристаллическую структуру связей. Добавка уменьшает выносливость и плотность металла, понижает параметры ударной вязкости. В отдельных случаях включение такой примеси оправдано, поскольку фосфор способствует повышению податливости металлических изделий резанию. Но даже в этом случае его доля не должна превышать 0,1%, иначе происходят нежелательные изменения структуры.
• Кислород — самая вредная добавка, нежелательный элемент в составе любого металлического сплава. Введение всего лишь 0,001% кислорода может вызвать уменьшение прочности стали на 50%. К тому же кислород препятствует резанию материала.
• Азот — при включении в сплав формирует нитриты железа. Это довольно хрупкое соединение, которое способно вызвать ухудшение технологических и прочностных характеристик металла.

Из-за своей мягкости низкоуглеродистая сталь не позволяет выполнять точную обработку поверхностей. Однако благодаря вязкости и пластичности материал можно включать в производственный цикл по созданию цементируемых заготовок и элементов для дальнейшей сварки.

Основное свойство низкоуглеродистой стали — это пониженный предел прочности, при этом вязкость и пластичность материала, напротив, довольно высоки. Некоторые марки такой стали могут использоваться для создания цементируемых конструкций, которые требуют дополнительной герметизации с целью получения определённой степени твердости и придания заготовкам стойкости к износу в результате дальнейшей обработки. Именно поэтому изделия из низкоуглеродистой стали хорошо куются и легко свариваются.

Технико-эксплуатационные характеристики такого сплава не позволяют проводить с ним полноценную обработку. Однако если воспользоваться техникой холодного волочения и нормализации — можно оптимизировать структуру материала и улучшить параметры обрабатываемости металлической поверхности. Благодаря пластичности низкоуглеродистые составы успешно подвергаются холодной деформации, не утрачивая при этом своих технико-механических характеристик. Это связано с тем, что локальное перенапряжение распределяется по всей поверхности равномерно и предотвращает растрескивание. Такую сталь можно подвергать сварке и закаливанию.

В то же время, в соответствии с диаграммой растяжения, низкоуглеродистые сплавы имеют свои недостатки:

• пониженная прочность Те = от 330 до 460 мПа, Сто, 2 = от 200 до 280 мПа;
• низкая ударная вязкость;
• высокая чувствительность к механическому старению металла.

По качественному признаку выделяют два типа стали.

• Обыкновенного качества — к подобному сплаву не предъявляют жестких требований, это относится и к шихте, и к процессам плавки. Присутствие фосфора в таком материале не должно выходить за отметку 0,08%, серы — 0,06%. Этот материал разливают в габаритные слитки, потому для них типично возникновение зональной ликвации.
• Качественная машиностроительная — такие стали выполняются в жестких условиях. Их отличает минимальное присутствие вредных примесей, доля серы и фосфора не должна подниматься выше уровня в 0,04%. Обычно такой материал маркируется словом «сталь», а также цифрами, которые обозначают долю карбидов, измеренную в сотых долях процентов.

Так сталь 08 и 10 широко востребована в ответственных узлах машино- и станкостроения. Из нее выполняют прокладки, втулки, змеевики и другие элементы. Перед работой такие детали в обязательном порядке подвергают термохимическому отверждению, чаще всего цементации. Сталь 15, 20 и 25 востребована для создания работающих на износ узлов, которые не связаны с повышенными механическими нагрузками — толкатели, клапаны, всевозможные рычаги и шестерни.

Цикл производства низкоуглеродистой стали состоит из нескольких шагов:

• погрузка чугуна и лома в печь;
• термовоздействие до достижения плавления;
• удаление вредных добавок.

Далее производится дополнительная обработка инертными газами либо вакуумом. Если необходимости в ней как таковой нет, то выполняется разливка стали.

Выделяют три основных технологии создания низкоуглеродистой стали.

• Мартеновские печи — наиболее распространённый метод получения сплава. В данном случае плавка производится на протяжении нескольких часов. Столь длительный период работы позволяет контролировать качество получаемого металлического состава.
• Конвекторные печи — подобный сплав получается благодаря подведению кислорода. Полученные подобным методом материалы содержат значительную долю примесей, потому не могут похвастаться высоким качеством.
• Электрические и индукционные печи — в процессе производства таких сталей используется шланг. На выходе получаются специализированные сплавы самого высокого качества.

По данному критерию все типы низкоуглеродистых сплавов разделяются на три категории.

• Спокойные — содержат минимальную концентрацию оксидов железа, благодаря чему выплавка производится без интенсивного выделения углекислоты. Такая реакция достигается за счёт введения в структуру стали марганца, кремния и алюминия, выполняющих роль раскислителя. В результате все выделяющиеся газообразные вещества накапливаются в осадочной раковине. Это позволяет получить плотный металл с однородной структурой.
• Кипящие — такие сплавы раскисляются только марганцем. Для них типична повышенная концентрация окислов железа в структуре. Плавка сопровождается активным выделением углекислоты, благодаря чему складывается впечатление, словно металл кипит. Эти сплавы имеют менее однородный состав, их прочность невысока, но при этом и цена их на порядок ниже остальных.
• Полуспокойные — для нейтрализации кислорода в состав подобных сплавов включают марганец и алюминий. Этот сплав по своим эксплуатационным характеристикам представляет «золотую середину» между спокойным и кипящим составами.

Маркировка малоуглеродистой стали включает набор букв и цифр. Буквенное обозначение представлено символами «СТ» — первые две буквы от слова «сталь». Следующее за ним числовое значение нужно разделить на 100. Получившееся частное укажет на процентную долю углерода в структуре. К примеру, маркировка СТ20 означает, что в этом составе содержится 0,2% углерода. Для справки: В некоторых случаях обозначение «СТ» не используют.

Далее идет кп/пс — они указывают на кипящий либо полуспокойной сплав. Если подобное обозначение отсутствует, это значит, что сталь спокойная. Следом идут буквы и числовые обозначения, которое указывают на присутствие добавок и их концентрацию. Так, Г – марганец, Ю – алюминий, Ф – ванадий. Также может использоваться цветовой маркер. Низкоуглеродистый сплав 10 часто имеет выраженный белый колер. Для сталей специализированного назначения используются дополнительные символы: К — востребована в производстве котлов; ОсВ – востребована при создании вагонных осей и подобных изделий.

С учетом маркировки варьируется и направление применения сталей.

• 05кп, 08, 08кп, 08ю — нужны для производства арматурной проволоки. Этот материал проявляет высокую эластичность, благодаря чему нашел применение в холодной вытяжке и штамповании. Из него изготавливают также некоторые топливные котлы, змеевики, фрагменты сварных конструкций и кузовные детали для автомобилестроения.
• 10 и 15 — востребованы для создания заготовок изделий, не подвергающихся повышенным нагрузкам. Это бывает штамповка, болты, винты, муфты и трубы для котлов.
• 18кп — применяется при производстве конструкций методом сварки.
• 20 и 25 — получили распространение при создании крепежей, в частности клапанов, толкателей и прочих элементов сельхозтехники.
• 30-35 — идут на создание звёздочек, шестерней и других осей, испытывающих низкие нагрузки.
• 40, 45 и 50 — подходят для элементов, которые в ходе эксплуатации сталкиваются с нагрузками средней величины. Сюда относятся фрикционные диски и коленвалы.
• 60-85 — такие стали подвергаются самой сильной нагрузке. Из них делают рессоры, колёса для кранов и даже рельсы для нужд железной дороги.

Сварка низкоуглеродистых сплавов имеет свои особенности. Так, электроды, их размеры и техника сваривания подбираются с учетом основных технических требований.

• Соединение должно быть как можно более крепким.
• Не допускается наличие дефектов шва.
• Химический состав и структура шва должны производиться в точном соответствии с действующими нормативами.
• Качество сварочных соединений должно отвечать эксплуатационным условиям. От них требуется стойкость к температурному режиму, вибрационным колебаниям и механическим воздействиям.

При этом для низкоуглеродистой стали могут использоваться самые разнообразные типы сварки, начиная от простейшей газовой и ручной дуговой до сварки плавящимся электродом в углекислоте.