Для чего нужен углерод в металле
Углеродистая сталь, марки, типы, свойства и качества
Что собой представляют углеродистые стали
Углеродистые стали представляют собой сплав железа, в котором содержание углерода до 0,6%. Количество серы и фосфора зависит от качества металла. Легирующие элементы присутствуют в незначительном количестве. Качественные характеристики зависят от количества углерода, серы, фосфора, марганца и кремния.
Чем больше углерода, тем выше твердость, хрупкость и хуже свариваемость.
Влияние углерода на структуру и свойства сталей
Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т.е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Прочность повышается только до 1% С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность стали.
При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.
C увеличением содержания углерода в стали изменяются и физические свойства: снижается плотность, повышаются удельное электросопротивление и коэрцитивная сила, понижаются теплопроводность и магнитная проницаемость.
Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.
Углерод в железоуглеродистом сплаве находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность.
Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.
Общие характеристики
Углеродистая сталь делится на 3 группы по требованиям к химическому составу и механическим свойствам. Обозначение буквенное. Определяющим для группы является:
Сплавы группы В проверяются на химию, и во время разлива с ковша берется образец для проверки механических характеристик — предел прочности на растяжение и изгиб, ударная вязкость. Твердость регулируется термообработкой.
Структура и свойства стали в зависимости от содержания углерода резко изменяются. Даже в специальных сталях при высоком содержании легирующих элементов углерод все же является одной из главнейших составляющих. Повышение содержания углерода в стали увеличивает ее твердость, повышает сопротивление пластическим деформациям и понижает пластичность и свариваемость.
Углеродистые стали в зависимости от содержания в них углерода разделяются на два типа: конструкционные и инструментальные.
Конструкционная сталь в зависимости от назначения изделия делится на следующие основные группы:
Конструкционные стали, выплавленные в мартеновских и электрических печах, а также в бессемеровских и томасовских конвертерах и обработанные давлением, поступают в производство в виде прутков, различного фасонного профиля, рельсов, полос, труб и листов. Они применяются в виде поковок или прокатанных и прессованных изделий.
Рис. 10 Влияние углерода на механические свойства стали
На рис. 10 изображено влияние углерода на механические свойства стали. Предел прочности при растяжении углеродистой конструкционной стали после медленного охлаждения колеблется от 30 до 70 кг/мм2, предел текучести — от 20 до 50 кг/мм2 относительное удлинение — от 10 до 30%, твердость по Бринелю — от 100 до 250.
Примерное назначение различных углеродистых конструкционных сталей следующее: с содержанием 0,10-0,12% С — для заклепок, кровельного железа; 0,1-0,2% С — для котельного железа; 0,15-0,25% С — для строительных конструкций; 0,25-0,35% С — для осевой стали; 0,25-0,45% С — для стального литья; 0,45-0,60% С для рельсов, бандажей, рессор.
По ГОСТ 380-60 стали подразделяются на две группы и одну подгруппу: стали, поставляемые по механическим свойствам (группа А); стали, поставляемые по химическому составу (группа Б), и стали повышенного качества, поставляемые по химическому составу и по механическим свойствам (подгруппа В). Стали группы А маркируются по способу выплавки. Механические свойства мартеновских сталей группы А приведены в таблице.
Стали группы Б маркируются в соответствии с содержанием углерода и способом выплавки. К этой группе относятся мартеновские стали МСт.0, МСт. 1кп, МСт. 2кп, МСт. 3кп, МСт. 3; МСт.4кп, МСт.4, МСт.5, МСт.6, МСт.7 и бессемеровские БСт.0, БСт.3кп, БСт.3, БСт.4кп, БСт.4, БСт.5, БСт.6.
Таблица. Сталь 1 группы обыкновенного качества (по ГОСТ 380-60)
Стали подгруппы В повышенного качества маркируются в соответствии с содержанием углерода; выплавляют их в мартеновских печах.
П.П. Аносов с 1828 то 1837 г. занимался получением булатной стали, изготовлявшейся в средние века на Востоке.
Булатная сталь обладает большой степенью ковкости, необыкновенной упругостью и в то же время твердостью, т.е. теми ценными свойствами, за которые ценятся булатные клинки. Химический состав булата Аносова: 1,31% С; 0,5% Si; 0,0559% Al; 0,3% Cu; 0,014% S.
Рубрики: Стали и чугуны
Ранее Погрешности, вызываемые деформациями заготовок
Позже Погрешности, вызываемые упругими отжатиями
Состав химических элементов
Основной элемент — железо. Отношение к группе определяется количеством углерода. Содержание неметаллических включений фосфора и серы ухудшает механические качества. Они способствуют красноломкости и хладоломкости, образованию трещин в горячем и холодном металле.
Коррозионная устойчивость обеспечивается низким содержанием углерода и добавлением хрома. Количество химических элементов в углеродистой стали марганца и кремния зависит от способа раскисления и класса качества. Марганец может присутствовать в пределах 1,2% в сплавах нормального качества, до 1,8% в высококачественных. Содержание кремния не превышает 0,3%.
Высококачественные стали группы В проверяют по свойствам и химическому составу. Допустимое количество неметаллических включений — 0,03–0,0018%.
От количества углерода зависит твердость стали, ее способность к закалке и свариванию.
Чем ниже показатель углерода, тем лучше варится металл. Ст 40Х требует подогрева перед сваркой, Ст 6 — нагрева до 700⁰ и послесварочного отпуска. Прокаливаемость наоборот. До Ст4 сплавы не калятся, не изменяют свою твердость. Сталь 40х может потрескаться при резком охлаждении в воде.
Нагрев стали
Что дает углевод который содержится в стали
Количество цементита будет увеличиваться, как только рост содержания углерода в стали пойдет вверх. При этом доля феррита будет одновременно снижаться. Если между составляющими будет изменено соотношение, то пластичность уменьшится, а прочность и твердость повысится. Прочность будет повышаться до тех пор, пока содержание углерода будет в 1%, но после этого она обязательно уменьшится, потому что будет образовываться цементитная грубая сетка.
Если говорить простым русским языком, то углерод имеет прямое влияние на свойства вязкости. Если в сплаве увеличить количество углерода, то изделие не будет поддаваться резкой ломкости, а ударная вязкость снизится.
Кроме того, есть и другие процессы, которые может вызвать увеличение состава углерода:
Кроме того, нужно помнить и о том, что углерод может повлиять и на технологические процессы. Кроме всех положительных моментов, описанных выше, литейные свойства стали будут значительно ухудшены как только в составе повысится содержание углерода. Более того, свариваемость будет значительно хуже и резать и обрабатывать давлением такие стали будет значительно труднее. Но, это не значит, что если в стали не будет содержаться углерод, то с ней не будет возникать никаких проблем. Стали, в которых будет маленькое содержание углерода, также будут плохо резаться.
Но, кроме углерода в стали могут содержаться и другие примеси, о которых также нужно обязательно помнить. Делятся такие примеси на три постоянные группы:
1. Стандартные. Сюда относятся кремний, сера, фосфор, марганец. При этом первый и последний считаются примесями технологического типа. Эти примеси вводят в самом процессе выплавки стали, чтобы она раскислилась.
2. Скрытые. Сюда относятся газы такие, как кислород, водород, азот. Они будут попадать в сталь непосредственно уже при выплавке. Благодаря им будет снижено сопротивление хрупкому разрушению.
3. Спец- примеси. Такие примеси вводят в сталь зависимо от того, какие свойства в результате вы от нее ожидаете. Ознакомиться с такими примесями можно у консультантов специализированных компаний, чтобы определиться с тем, что именно вам понадобится для улучшения и закрепления, так сказать, результата.
Легированные элементы – это примеси, о которых было описано выше, а стали – это легированные стали. Очень многие путают понятия, из-за чего в последствии возникают проблемы непосредственно в работе.
Тщательно подготовьтесь в рабочему процессу, чтобы в результате не получить некачественное выполнение, которое придется доделывать или вовсе – исполнять с ноля.
Как начать варить аргоном TIG ТИГ сварка алюминия
Классификация по степени раскисления
По степени раскисления углеродистые сплавы делятся на такие типы:
Кипящие сплавы обыкновенного качества сразу после внесения раскислителя выпускаются из печи. В отдельных случаях раскисление производится в ковше. В результате в под коркой образуется много воздушных пузырьков.
У инструментальных сплавов реакция раскисления начинается до разлива и полностью заканчивается при заливке в ковш.
Кипящие стали используют для производства слитков, слябов и блюмсов — проката крупного сечения. В дальнейшем происходит переплавка их на высококачественный металл в электрических печах или переделка на прокат меньшего диаметра — круг, квадрат. Воздух в процессе переработки выходит, зерно вытягивается вдоль, увеличивая механические свойства стали. Полуспокойные стали отличаются повышенной ковкостью.
Классификация углеродистых сталей | Матвед 4
Методы производства и различия по качеству
По методам производства сплавы делятся на три типа:
Способ производства и разделение по качеству указывается в сертификате на металл и может обозначаться буквенно в конце маркировки. Например, ВД — электродуговой переплав, Ш — шлаковый переплав.
Мартеновские с наиболее низким качеством идет на переделку и прокат группы А. В электропечах производится сплав высокого и очень высокого качества.
Особенности маркировки
Маркировка углеродистых сталей имеет буквенно-цифровое значение и на торце проката обозначается определенным цветом. Ст в начале означает нормальное качество. Затем идет цифра, указывающая количество углерода и способ раскисления.
Для материала с повышенным качеством обозначение начинается со слова Сталь, затем углерод в сотых долях и буквенное обозначение легирующих элементов.
Высококачественные обозначаются в конце буквой А. Специальные, высокоуглеродистые, инструментальные — У, быстрорежущие — Р.
Маркированная углеродистая сталь
Как расшифровать маркировку сталей
Марку углеродистой стали и группу ее качества можно определить по типу маркировки. Каждая цифра и буква имеет свое значение и показывает требования к качеству, степень раскисления, наличие легирующих элементов.
Например, для сплава обычного качества:
Углеродистые стали повышенного качества маркируются цифрами (содержание углерода в сотых долях) и буквами (легирующий элемент). Например:
Расшифровка высокоуглеродистых марок имеет букву, указывающую тип материала, его применение и цифру — процент углерода в десятых долях. Инструментальные сплавы имеют обозначение У. Например:
Химический состав более точно можно определить по таблице в справочнике металлурга.
Прокат на торце маркируется цветной полосой:
Для каждого типа стали имеется своя маркировка. Легированные могут содержать до 3 цветных полос.
Маркировка стали для ножа, расшифровка марки стали для ножа, свойства легированной стали для ножа
Углеродистая сталь
Углеродистой называют нелегированную сталь, содержащую 0,04…2% углерода. Кроме того, в состав такой стали входят постоянные примеси, неизбежно присутствующие в ней в связи с условиями производства: до 1% марганца, до 0,4 кремния, до 0,07 серы, до 0,09% фосфора.
Рис. 10. Схемы микроструктур стали в равновесном состоянии: а — ферритной, б — ферритно-цементитной, в — ферритноперлит-ной, г — перлитной, д — перлитно-цементитной; 1 — феррит, 2 — цементит, 3— перлит
Структура и свойства углеродистой стали зависят от содержания углерода и скорости охлаждения. Медленно охлажденные стали характеризуются равновесными структурами, не изменяющимися при последующем нагреве вплоть до температуры 728 °С. Быстрое охлаждение приводит к образованию неравновесных структур, которые при последующем нагреве стремятся перейти в равновесные. Среди структурных составляющих медленно охлажденной стали выделяют феррит, цементит и перлит (рис. 10).
Феррит – твердый раствор углерода (до 0,02% ) в железе. По свойствам близок к чистому железу. Твердость феррита НВ60…80, предел прочности при растяжении 250 МПа. Феррит мягок и пластичен.
Цементит — карбид железа Fe3C — химическое соединение, содержащее 6,67% углерода. Характеризуется высокой твердостью (НВ700…800) и хрупкостью.
Перлит — механическая смесь феррита и цементита. Вследствие упрочняющего влияния цементита перлит обладает более высокой прочностью и твердостью, чем феррит, но менее пластичен.
По мере возрастания количества углерода изменяются соотношения между отдельными структурными составляющими. Это сказывается на свойствах стали. При содержании углерода до 0,006% структура стали образована чистым ферритом (рис. 10,а). Прочность такой стали сравнительно невелика, зато она обладает высокой пластичностью и ударной вязкостью. Если количество углерода увеличить до 0,025%, появится новая структурная составляющая — цементит, который локализуется по границам зерен феррита (рис. 10,6). Хрупкая цементитная сетка снижает ударную вязкость стали. Структура стали с содержанием углерода более 0,025% представлена ферритом и перлитом, причем доля перлита тем больше, чем выше концентрация углерода (рис. 10,в). С повышением содержания перлита возрастают прочность и твердость стали, а относительное удлинение и ударная вязкость уменьшаются.
Структура стали, содержащей ровно 0,8% углерода, представлена только перлитом (рис. 10,г). Если концентрация углерода превышает 0,8%, в структуре появляется цементит, располагающийся по границам зерен пердита (рис. 10, д). При содержании углерода около 1% хрупкий цементит образует сетчатую структуру. Это снижает прочность стали и делает ее хрупкой.
Влияние состава и структуры на некоторые механические свойства стали графически изображено на рис. 11. С повышением концентрации углерода твердость стали закономерно возрастает, относительное удлинение уменьшается; прочность же возрастает до некоторого предела (0,8… 1%), а затем падает.
Значительное влияние на свойства стали оказывают примеси. Кремний и марганец увеличивают проч-стали относительно небольшое. Фосфор и сера — вредные примеси в стали при любой их концентрации. Сера снижает механические свойства и вызывает красноломкость стали. Фосфор значительно увеличивает хрупкость стали,особенно при отрицательной температуре (т. е. вызывает хладноломкость). Полное удаление из стали фосфора и серы сопряжено с большими затратами топлива и энергии, поэтому на практике ограничивают их содержание до безопасных пределов.
Углеродистые стали классифицируют по способу производства и назначению.
По способу производства различают мартеновскую, кислородно-конвертерную, бессемеровскую и электросталь.
По назначению углеродистые стали разделяют на конструкционные и инструментальные.
Рис. 11. Графики зависимости механических свойств стали от содержания углерода:
Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380—71*) подразделяют на группы А, Б, В, учитывающие условия поставки. Сталь группы А поставляют потребителям по механическим свойствам: пределам прочности и текучести, относительному удлинению, способности к изгибу в холодном состоянии. В стали группы Б нормируют химический состав, а группы В — одновременно химический состав и механические свойства.
Каждая группа включает несколько марок стали— от Ст0 до Ст6. С увеличением номера возрастает прочность стали и уменьшается ее пластичность. Сталь марок от Ст1 до Ст4 выпускают кипящей, полуспокойной, спокойной, марок Ст5 и Стб — полуспокойной и спокойной. Указание о степени раскисления стали делают в виде индекса: кп — кипящая; пс — полуспокойная; сп — спокойная. Стали марок Ст3Гпс, Ст3Гсп и Ст5Гпс содержат повышенное количество марганца, на что указывает буква Г.
Сталь группы Б изготовляют тех же марок, что и сталь группы А, но в начале обозначения марки вводят букву Б, например сталь БСт1кп. Для сталей группы А букву впереди марки не ставят.
К сталям группы В предъявляют дополнительные требования по ударной вязкости при нормальной и пониженной температурах.
В обозначении марок сталей всех групп вводят также цифры от 1 до 6, характеризующие категорию стали. Категория определяется совокупностью механических свойств стали либо особенностями ее химического состава. Цифру 1 в сталях первой категории не указывают.
Примеры обозначения марок стали: Ст3кп — группа А, сталь 3, кипящая, категория 1; БСт2пс2 — группа Б, сталь 2, полуспокойная, категория 2; ВСт2спЗ — группа В, сталь 2, спокойная, категория 3.
В строительстве используют стали всех групп. Наиболее пластичные стали Ст1 и Ст2 применяют в конструкциях резервуаров, трубопроводах. Из стали СтЗ, Ст4 и Ст5 изготовляют строительные конструкции, а также арматуру для железобетона. В большом количестве углеродистая сталь обыкновенного качества расходуется на изготовление листового, круглого, уголкового, швеллерного, двутаврового проката.
Сталь качественная конструкционная (ГОСТ 1050—74**) содержит по сравнению со сталью обыкновенного качества меньше серы и фосфора (до 0,04% каждого). Сталь весьма однородна по составу. Благодаря этим особенностям она характеризуется более высокими механическими свойствами.
В обозначении марок стали ставят двузначные цифры, показывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марка 45 означает, что сталь содержит 0,42…0,50% углерода. Качественные стали выпускают марок от 05 до 85. Сталь марок 20…45 используют для анкерных колодок и клиньев при натяжении арматуры.
Кроме того, выпускают углеродистые качественные стали с повышенным содержанием марганца — 15Г, 20Г…70Г, где буква Г означает, что в их состав входит 0,7…1,2% марганца.
Специальные стали характеризуются однородной мелкозернистой структурой. В изделиях не должно быть внешних дефектов — раковин, трещин, пор. Из стали изготовляют, в частности, металлические конструкции мостов.
Инструментальные качественные углеродистые стали содержат 0,65…1,35% углерода. Эти стали маркируют так: буква У и цифры показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Выпускают их марок У7, У8…У13. Содержание марганца в этих сталях не более 0,4, кремния — 0,35, серы — 0,03 и фосфора — 0,035%. Кроме того, выпускают высококачественные стали, содержащие еще меньше серы и фосфора. В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от качественных добавляют букву А, например сталь У7А, У8А.
Читать далее: Теплоизоляционные материалы Основные свойства строительных материалов Фиксаторы арматуры Материалы для смазывания форм Сборные бетонные и железобетонные конструкции Арматурные изделия и закладные детали Проволочная арматура Стержневая арматура Классификация арматуры и технические требования к сталям Обработка давлением
Какие фирмы занимаются производством углеродистой стали
Крупнейшим производителем углеродистой стали является металлургический комбинат полного цикла Мечел. Он объединяет несколько крупных заводов, начиная от производства кокса и заканчивая различным прокатом. Кроме этого прокат производят металлургические комбинаты:
Металлургическая промышленность по производству черного металла располагается поближе к месторождениям железной руды и угля. Для заводов цветного литья важнее источники электроэнергии.
Как в сталь добавляют углерод в сталь
Как влияет содержание углерода на свойства сталей
Содержание углерода и легирующих элементов определяет свойства углеродистых сталей. Состав сплава содержит железо, углерод, магний, кремний, марганец, серу и фосфор. Количество одного компонента по отношению к общей массе определяет вязкость, пластичность, прочность и твердость металла. Углеродистые стали классифицируют по химическому составу, способу изготовления, назначению и степени раскисления. Металлопрокат производят из разных марок стали. Компания «Стальмет» продает металлопродукцию из углеродистых сталей, соответствующих ГОСТу 380-2005 и 1050-2005.
Состав стали с углеродом
Технология производства не полностью удаляет примеси из стали. Они занимают малую процентную долю, но присутствуют во всех углеродистых сталях. Содержание углерода разделяет сталь на углеродистую и легированную. Углерод добавляют намеренно, чтобы изменить технические характеристики и механические свойства сталей. Наличие примесей зависит от выбранной плавки сталей. Процентное содержание разных элементов в составе стали:
Сталь содержит незначительное количество водорода, кислорода и азота.
Какие свойства у стали с разным содержанием углерода?
Механические свойства стали зависят от количества углерода. Увеличение или снижение содержания углерода, даже в сотых долях процента, предопределяет сферу применения металла. Структура углеродистой стали меняется от содержания цементита и феррита. Когда в сталь добавляют больше углерода, сплав становится твердым, прочным и упругим. Когда уменьшают, улучшают ее пластичность и сопротивление удару.
В зависимости от того, сколько углерода в составе сплава, различают несколько видов стали:
Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали обрабатывать и варить проще, чем высокоуглеродистые.
Виды углеродистой стали по степени раскисления
У углеродистой стали разная степень раскисления. Бывают спокойные, кипящие и полуспокойные сплавы. Названия связаны с содержанием вредных примесей — оксидом железа. Чем меньше кислорода в сплаве, тем стабильнее и долговечнее стали. После разливки сталь выделяет газы и затвердевает.
В спокойных сталях кислород удален почти полностью, поэтому у них однородная структура и равномерное распределение состава. Полуспокойные чаще содержат 0,15-0,3 % углерода. Таким сталям свойственна неравномерная структура из-за частичного раскисления сплава. Больше всего кислорода у кипящих сталей. Такое раскисление приводит к разному химическому составу. В кипящих сталях много примесей: углерода, азота, серы и фосфора.
Чем отличаются инструментальные и конструкционные стали?
Сфера применения и способ изготовления — главные отличия сталей. Конструкционные углеродистые стали выплавляют в конвертерах и мартеновских печах. Они бывают высокого и обыкновенного качества. Их разделяют на группы А, Б и В. Маркируют соответственно буквами и цифрами. В обозначении буква говорит о группе стали, а цифры указывают на содержание углерода, увеличенное в 100 раз. Чем больше значение, тем прочнее сталь. Стали обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца маркируются буквой «Г».
Сталь группы А поставляют по механическим свойствам, группы Б — по химическому составу, группы В — по механическим свойствам и химическому составу. Это означает, что сталь группы А обладает заявленными свойствами, а сталь группы Б отвечает нормативной документации.
Углеродистую инструментальную сталь выплавляют в мартеновской или электрической печи. Она бывает спокойной, полуспокойной и кипящей. Ее разделяют на качественную и высококачественную сталь. Доля примесей в качественной инструментальной стали регламентирована: серы должно быть не более 0,4 %, фосфора — не больше 0,6 %. Цифра в маркировке говорит о содержании углерода в сотых долях. Также она обозначает условный номер марки материала.
Сферы применения углеродистых сталей
Углеродистые стали обыкновенного качества используют для изготовления двутавра, уголка, швеллера, прута, листа и другого проката. В производстве инструментов и деталей для разных областей машиностроения применяют углеродистую сталь высокого качества.
Как влияет содержание углерода на свойства сталей
Состав
Сталь – железо, обогащенное углеродом в процессе плавки. Для углеродистых выплавок характерно наличие углерода, который определяет основные свойства металла, и примесей: фосфора (до 0,07%), кремния (до 0,35%), серы (до 0,06%), марганца (до 0,8%). Так, низкоуглеродистая сталь содержит не более 0,25% углерода.
Что касается других добавок, марганец и кремний служат раскислению (удалению кислорода из жидкого металла, что уменьшает хрупкость при горячей деформации). А вот повышенный процент серы может привести к растрескиванию сплава при термической обработке, фосфора – при холодной.
Качественные машиностроительные стали
В обширной классификации сплавов данного типа выделяют стали обыкновенного качества и качественные машиностроительные (конструкционные) стали. К первым не предъявляются специальные требования в отношении выбора шихты и плавки. В полученном сплаве может содержаться до 0,08% фосфора и до 0,06% серы. Материал идет на производство горячекатаного металлопроката.
Требования к технологии выплавки качественных сталей более высоки. Плавка осуществляется только в электропечах, позволяющих с высокой точностью регулировать тепловой режим и использовать флюсы и шлаки. В результате получают сплав с минимальным содержанием вредных примесей: фосфора в нем не более 0,035%, серы — не более 0,04%.
Именно такие стали используются в ответственных узлах оборудования, включая прокладки, змеевики и втулки. В маркировке металла цифрами — от 08 до 25 указывается массовая доля карбидов — соединений металлов или неметаллов с углеродом.
Массовая доля элементов в химическом составе качественных низкоуглеродистых сталей:
Массовая доля углерода варьируется в диапазоне от 0,05-0,12% (Ст 08) до 0,22%-0,30% (Ст 25).
Способы получения
Производство низкоуглеродистого сплава можно разложить на несколько этапов: загрузку в печь чугуна и лома (шихты), термическое воздействие до состояния плавления, удаление из массы примесей.
Далее может происходить разливка стали или дополнительная обработка: шлаком или вакуумом и инертными газами.
Для исполнения таких процессов пользуются тремя способами:
Рассмотрим особенности классификации сплавов.
Основные способы получения низкоуглеродистых сплавов
Все сплавы при получении проходят одинаковые технологические стадии, дополнительную обработку. Плавильная печь загружается сырьём, шихтой, нагревается до расплавления, удаляются лишние примеси. Дополнительная обработка зависит от конкретного заданного состава продукта, нужных химических, физических свойств.
По технологии производства, оборудованию сплавы получают:
Кислородно-конверторный метод
Этот способ производства низкоуглеродистого сплава назван по двум составляющим технологии. Кислород, содержащийся в воздухе, окисляет избыток углерода и примесей в конверторной печи. Конверторная печь имеет объём 50–60 т. Расплавленное сырьё, шихта, продувается нагретым кислородом под давлением. Стены конвектора имеют грушевидную форму, выполнены из металла с дополнительной футеровкой. Материал футеровки химически участвует в процессе выплавки, вступая в реакцию с расплавленным сырьём.
Мартеновский метод
Мартеновские печи отличаются большим размером плавильных ванн, производительностью до 500 тонн продукции. Выжигание углерода, примесей также идёт кислородом, но кислород получают не только из воздуха. Дополнительно шихту обогащают железной рудой, ломом, покрытым ржавчиной.
Оксиды железа, участвуя в процессе, выделяют кислород. Камеры-регенераторы осуществляют предварительный нагрев горючего газа и воздуха, попеременно выпускают содержимое через плавильную ванну. Процесс происходит в течение 6–7 часов, по завершении нагрев прекращается, добавляются раскислители.
Электротермический метод
Этот способ позволяет получить точно заданные физические и химические свойства, применяется только для получения высококачественных сплавов. Большой расход энергии при термической обработке, до 800 кВт на 1 тонну стали, должен быть экономически оправдан. Температура печи доходит до 1650 градусов, ёмкость ванн 0,5–180 тонн.
При высокой температуре сера и фосфор удаляются практически без остатка, переплавляется тугоплавкое сырьё. Химические реакции при производстве аналогичны мартеновскому способу.
Низкоуглеродистая сталь может быть трех видов:
Как уже говорилось ранее, чем меньше примесей, тем лучше качество сплава.
Сталь низкоуглеродистая ГОСТ 380-94 обыкновенного качества делится еще на три группы:
По процессу раскисления стали делят на:
Классификация и марки
Существует несколько основных критериев по которым подразделяются углеродистые марки. Одним из самых важных среди них являются условия проведения раскисления. Выделяют следующие низкоуглеродистые стали:
Помимо степени раскисления низкоуглеродистые марки также классифицируются по наличию неметаллических включений в своем составе. Исходя из этого они различаются на:
Рассмотрим каждый пункт более подробно.
Стали обыкновенного качества. К ним не предъявляются строгие требования как к выбору шихты, так и к плавке и разливке. Фосфора в них допускается не более 0,08%, а серы не более 0,06%. Разливают такой сплав в крупногабаритные слитки, поэтому для них характерно появление зональной ликвации.
Сталь обыкновенного качества идет на производство разного рода горячекатаного металлопроката: прутки ГОСТ 4290-90, швеллеры ГОСТ 8240-97, балки ГОСТ 8239-95, уголки ГОСТ 8509-95 и прочие. Этот прокат служит материалом для производства разного рода болтовых, клепочных и сварных металлоконструкций. В станкостроении из нее производят малоответственные детали не требующие проведения термобработки: оси, вальцы, зажимы и т.д.
Исходя из гарантированности указанных свойств сталь обыкновенного качества бывает:
Качественные машиностроительные стали производятся в более строгих условиях выплавки. Обладают меньшим количеством вредных образований в химсоставе: сера до 0,04%, фосфор до 0,04%. Маркируются надписью «сталь» и цифрой, указывающей количество карбидов в сотых долях процента.
Сталь 08 и 10 применяются в ответственных узлах машиностроения. Из них производят втулки, змеевики, прокладки и т.д. Перед использованием все детали обязательно подвергаются цементации или любому другому химико-термическому упрочнению.
Стали 15, 20, 25 используются для узлов, работающих на износ и не испытывающих повышенных механических нагрузок: рычаги, шестерни, толкатели клапанов и т.д.
Основные свойства
Низкоуглеродистая сталь отличается высокой пластичностью, легко деформируется в холодном состоянии и в горячем. Отличительной чертой такого сплава является хорошая свариваемость. В зависимости от добавочных элементов свойства стали могут меняться.
Чаще всего низкоуглеродистые сплавы применяются в строительстве и промышленности. Это обусловлено невысокой ценой и хорошими прочностными качествами. Такой сплав еще называют конструкционным. Свойства низкоуглеродистой стали зашифрованы в маркировке. Ниже мы рассмотрим ее особенности.
Особенности маркировки
Обычная низкоуглеродистая сталь имеет буквенное обозначение СТ и цифровое. Число следует делить на 100, тогда будет понятно процентное содержание углерода. Например, СТ15 (углерод 0,15%).
Рассмотрим маркировку и расшифруем обозначения:
Для качественных низкоуглеродистых сталей в маркировке не ставится буквенное обозначение «Ст».
Также применяется цветовое обозначение. Например, низкоуглеродистая сталь марки 10 имеет белый цвет. Стали специального назначения могут обозначаться дополнительными буквами. Например, «К» — применяется в котлостроении; ОсВ – используется для изготовления вагонных осей и т. д.
Выпускаемые изделия
Можно выделить несколько групп стальной продукции:
К этому перечню добавляют вторичные профили, которые образуются за счет сварных работ и механической обработки.
Сферы применения
Область использования низкоуглеродистой стали достаточна широка и зависит от маркировки:
Как видно, производимый ассортимент обширен – это не только проволока низкоуглеродистой стали. Также это детали сложных механизмов.
Применение
Качественные машиностроительные низкоуглеродистые стали повсеместно используются для производства износостойких деталей ответственных узлов — шестерен, змеевиков, рычагов, толкателей клапанов и т.д.
С их использованием изготавливаются надежные резинометаллические уплотнения, обеспечивающие высокую герметичность силовых соединений в пневматических и гидравлических устройствах, рассчитанных на высокое рабочее давление.
Для эксплуатации в условиях агрессивных сред поверхность изделий подвергается хромированию или оцинкованию.
Низколегированная и низкоуглеродистая сталь: отличия
Для улучшения каких-либо характеристик сплава добавляются легирующие элементы.
Стали, которые содержат в чебе низкое количество углерода (до четверти процента) и легирующих добавок (общий процент — до 4 %) называются низколегированными. Такой прокат сохраняет высокие сварные качества, но при этом усиливаются разные свойства. Например, прочность, антикоррозийные характеристики и так далее. Как правило, оба вида применяются в сварных конструкциях, которые должны выдерживать температурный диапазон от минус 40 до плюс 450 градусов Цельсия.
Особенности сварки
Сварка низкоуглеродистых сталей имеет высокие показатели. Тип сварки, электроды и их толщину подбирают на основе следующих технических данных:
Могут использоваться различные виды сварки от газовой до сварки в среде углекислого газа плавящимся электродом. При подборе учитывают высокую плавкость низкоуглеродистых и низколегированных сплавов.
Что касается конкретно сферы применения, то низкоуглеродистый прокат используется в строительстве и машиностроении.
Марка стали подбирается на основе требуемых на выходе физических и химических свойств. Наличие легирующих элементов может улучшить одни свойства (стойкость к коррозии, температурным перепадам), но и ухудшить другие. Хорошая свариваемость — еще одно достоинство таких сплавов.
Итак, мы выяснили, что собой представляют изделия из низкоуглеродистой и низколегированной стали.
Особенности низкоуглеродистых сталей
Низкоуглеродистая сталь по сравнению с другими сталями крайне пластична. Их относительно удельное сопротивление на сжатие составляет 23-35% в зависимости от процента содержания углерода в составе. Чем его больше, тем пластичность ниже.
Все марки низкоуглеродистых сталей имеют первую категорию свариваемости.
Процесс сварки не требует сложных подготовительных операций: прогрева поверхности, обезжиривания и т.д. Сварной шов получается плотным, при работе на сжатие по прочности сравним с цельным металлом. Пониженная углеродистая сталь поддается всем видам сварки: от обычной электродуговой до вакуумной в среде инертных газов.
Низкоуглеродистая сталь не обладает повышенными прочностными характеристиками. Временное сопротивление на разрыв для нее колеблется в пределах 320-450 МПа. То же самое можно сказать относительно твердости. Без дополнительного упрочнения твердость стали составляет 22-23 единиц по шкале Роквелла.
Низкоуглеродистые марки не поддаются закалке в силу малого содержания углерода в составе. Среди немногочисленных вариантов улучшения сталям своих механических свойства выделяют цементацию. Это разновидность химико-термического упрочнения, при котором поверхность металла принудительно насыщают углеродом, что делает металл более твердым и износостойким. Помимо этого, в качестве механического упрочнения хорошо зарекомендовали себя разного рода наклепы, обкатка роликами и прочее.