в какой стали больше содержание углерода
Виды и марки стали
Сталь. Виды и марки стали. Их применение.
углеродистую сталь (Fe – железо, C – углерод, Mn – марганец, Si — кремний, S – сера, P – фосфор). По содержанию углерода делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Углеродистая сталь предназначена для статически нагруженного инструмента.
По способу производства и содержанию примесей сталь различается:
Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали характеризуются невысокой прочностью и высокой пластичностью. Из листового проката стали 08, 10, 08кп изготавливают детали для холодной штамповки. Из сталей 15, 20 делают болты, винты, гайки, оси, крюки,шпильки и другие детали неответственного назначения.
Среднеуглеродистые качественные стали (ст 30, 35, 40, 45, 50, 55) используют после нормализации и поверхностной закалки для изготовления таких деталей, которые обладают высокой прочностью и вязкостью сердцевины (оси, винты, втулки и т. д.)
Стали 60 — стали 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругими свойствами. Из них изготавливают крановые колёса, прокатные валки, клапаны компрессоров, пружины, рессоры и т.д.
высококачественная — сложный химический состав с пониженным содержанием фосфора и серы — по ГОСТу 19281.
Также сталь делится по применению :
а) строительная сталь — углеродистая обыкновенного качества. Обладает отличной свариваемостью. Цифра обозначает условный номер состава стали по ГОСТу. Чем больше условный номер, тем больше содержание углерода, тем выше прочность стали и ниже пластичность.
Ст0-3 — для вторичных элементов конструкций и неответственных деталей (настилы, перила, подкладка,шайбы)
Ст3 используют для несущих и ненесущих элементов сварных и несварных конструкций и деталей, которые работают при положительных температурах. ГОСТ 380-88.
Стандартом качества предусмотрена сталь с повышенным количеством марганца (Ст3Гсп/пс, ст5Гсп/пс).
б) конструкционная сталь — ГОСТ 1050
Углеродистые качественные конструкционные стали используются в машиностроении, для сварных, болтовых конструкций, для кровельных работ, для изготовления рельсов, железнодорожных колёс, валов, шестерен и других деталей грузоподъёмников.Ц ифры в маркировке означают содержание углерода в десятых долях процента.
Ст20 — малонагруженные детали, такие как валики, копиры, упоры,
Ст35 — испытывающие небольшие напряжения (оси, тяги, рычаги, диски, траверсы, валы),
Ст45 (ст40Х) — требующие повышенной прочности (валы, муфты, оси, зубчатые рейки)
Конструкционные легированные стали используют для гусениц тракторов, изготовления пружин, рессор, осей, валов, автомобильных деталей, деталей турбин и др.
в) инструментальная сталь — применяется для режущего инструмента, быстрорежущая сталь для холодного и горячего деформирования материла, для измерительных инструментов, на производство молотков, долот, стамесок, резцов, свёрлов, напильников, бритв, рашпилей.
У7, У8А (цифра- десятые доли процента по содержанию углерода). Углеродистые стали выпускают качественными и высококачественными. Буква «А» означает высококачественную углеродистую инструментальную сталь.
высоколегированная (от 10 до 50%)
Сталь 09Г2С применяется для паровых котлов, аппаратов и ёмкостей, работающих под давлением и температурой от минус 70, до плюс 450град; её используют для ответственных листовых сварных конструкций в химическом и нефтяном машиностроении, судостроении.
Сталь 10ХСНД используют для сварных конструкций химического машиностроения, фасонных профилей в сдостроении, вагоностроении.
18ХГТ применяют для деталей, работающих на больших скоростях при высоком давлении и ударных нагрузках.
д) сталь особого назначения — сталь с особыми физическими свойствами. Она применяется в электротехничсеской промышленности и точном судостроении.
На свариваемость стали влияет степень её раскисления. По степени раскисления сталь классифицируется:
спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,
полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,
кипящая сталь (08кп) — неокисленная сталь с высоким содержанием неметаллических примесей. ГОСТ 1577.
Например, категория 1 — химический состав не нормируемый, категория 3 — нормируется ударная вязкость при температуре +20. Для марки ст0 не нормируется ни химический состав, ни предел текучести.
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.
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:
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.
В случаях, когда расчет прочности узла требует применения деталей малых размеров, способных выдержать требуемую нагрузку, применяют термическую обработку. 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.
Классификация углеродистых сталей
По направленности применения продукции, углеродистую сталь разделяют на инструментальную и конструкционную.
Последнюю из них используют для возведения различных строений и остовов деталей. Из инструментальных, изготавливают прочный инструмент для выполнения любых работ, вплоть до обработки металлов резанием. Применение металлических изделий в хозяйстве, потребовало выделить сталь в разные категории, обладающие специфическими свойствами: жаропрочную, криогенную и коррозионно-стойкую.
По способу получения углеродистые стали делят на:
Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.
Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:
Содержание углерода делит сталь на 3 категории:
Именно структура, является характерным признаком, при определении состояния металла. У доэвтектоидных сталей, структура состоит из перлита и феррита. У эвтектоидных – чистый перлит, а заэвтектоидные, характеризуются перлитом с примесями вторичного цементита.
При увеличении количества углерода, сталь повышает прочность и уменьшает пластичность. Большое влияние оказывается также на вязкость и хрупкость материала. При повышении процентного содержания углерода, уменьшается ударная вязкость и повышается ломкость материала. Не случайно, при содержании, на уровне более 2,4 %, металлические сплавы относят уже к чугунам.
По количеству углерода, в составе сплава, сталь бывает:
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. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые, в дальнейшем удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства.
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.
Высокоуглеродистые стали с увеличенным количеством марганца, применяют для изготовления таких деталей, как пружины, рессоры, торсионы и подобные узлы, требующие упругости сплава. Инструментальные сплавы повышенного качества, широко применяют при производстве инструментов, которыми обрабатывают металлы: резцы, сверла, зенковки.
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:
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.
Высокоуглеродистая сталь
Чистого железа в природе не существует, этот элемент очень активен, он окисляется в атмосферном воздухе и в воде. При выплавке железной руды, состоящей из оксидов, расплав смешивают с углем или продувают углекислым газом, так получают чугун — сочетание железа и углерода. Дальнейшее разуглероживание превращает материал в стальной сплав.
Высокоуглеродистая сталь содержит от 0,6 до 2% углерода. Это делает ее твердой, стойкой к истиранию, но малая ударная вязкость приводит к повышенной хрупкости.
Сталь в промышленных масштабах не получали до XIX века, так как доменные печи не достигали температуры плавления. До этого металл обрабатывали ковкой и длительным продуванием мехами: до полного восстановления из оксидов. Для сокращения углеродной доли применяли обратную реакцию — окисление при высокой температуре. Углерод при этом выгорает или превращается в углекислый газ. С развитием металлургии появились три способа выплавки:
Твердость высокоуглеродистой стали позволяет применять ее в качестве основного инструментального материала. Легирующие добавки хрома и никеля компенсируют склонность к холодовому охрупчиванию и трещинообразованию. Из сплавов производят канатную проволоку, подшипники, штампы и дробь для дробеструйной обработки металлов. Ранее материал использовали для медицинских целей, но сейчас его заменили высокопрочные нержавеющие стали.
Характеристики высокоуглеродистой стали
Качество стали во многом зависит от ее чистоты, количества вредных примесей. Для раскисления используют марганец, который впоследствии защищает металл от коррозии и ликвидирует вредное влияние серы.
Исходный материал обладает следующими свойствами:
При изготовлении проволоки высокоуглеродистую сталь патентуют: нагревают, выдерживают в соляной или свинцовой ванне при температуре 450-550⁰, затем сразу подвергают волочению. В таком случае проволока способна выдерживать большие растяжения без разрывов. Элементы инструментов производят с помощью литья, ковки или проката с последующей термической обработкой (это делает материал прочнее на 10-15%). Крепежи подвергается длительному прессованию.
При сварке углерод начинает выгорать, это изменяет структуру металла в месте стыка, делает его пористым, поэтому сталь нельзя использовать в сварных конструкциях. Если сваривание необходимо, применяют наконечники с пониженным тепловыделением, предварительный нагрев и низкоуглеродные присадочные материалы. Для соединения деталей толщиной менее 3 мм нагрев не нужен.
Области применения высокоуглеродистой стали
Области применения сталей различных марок
Марки высокоуглеродистой стали используют в изготовлении промышленного оборудования, в машиностроении, для производства слесарных, монтажных, ремонтных инструментов. Также их применяют для производства точных измерительных приборов: угольников, микрометров. По назначению сплавы подразделяют на пружинные, быстрорежущие и подшипниковые.
Маркировка высокоуглеродистой стали
В системе обозначений, принятой в Российской Федерации, маркировка сталей указывает на химический состав. Содержание основных элементов и примесей регламентируется стандартом ГОСТ 1435-99.
Обозначение марок высокоуглеродистой стали:
Для ряда операций важно состояние материала. Заготовки, предназначенные для дальнейшей обработки (слитки и прутки) отмечают группами, обозначение зависит от наличия в составе присадок хрома, никеля и меди (до 0,05%):
Хром и никель затрудняют холодную обработку тонколистового металла, поэтому не допускаются для 2 группы, предназначенной для производства лент. В зависимости от назначения металлопроката в технической документации указывают ряд показателей:
Таким образом, сплавы одной марки могут быть как пригодными, так и непригодными для некоторых сфер. В зависимости от поставленных задач производитель инструментов может запросить проведение дополнительных испытаний.
Какие виды и марки углеродистой стали существуют
Технические характеристики сталей напрямую зависят от количества и качества входящих в них элементов (углерода). Чем его больше, тем тверже сплав и выше его хрупкость. Углеродистые стали различной марки отличаются низким содержанием легирующих компонентов. Обычно каждый из них не превышает 1,5% и оказывает незначительное влияние на технические характеристики сплава.
Углеродистые стали выпускаются в виде проката и фасонного литья. Они широко применяются во всех отраслях промышленности и строительства, быту. Металлургические предприятия передают слябы и блюмсы на дальнейшую переработку в лист, профильный прокат, трубы различного диаметра.
Углеродистая сталь
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.
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.
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
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.
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.
Область применения
Из углеродистой стали изготавливают сварные конструкции зданий, водопроводные и газовые трубы, детали станков и автомобилей, прокат круглого и другого сечения для изготовления различных предметов, заборов, решеток.
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.
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.