Что собой представляют углеродистые стали
Маркировка углеродистых сталей
Производство углеродистой стали
Методы производства и разделение по качеству
Формула, обозначения, особенности
Плотность сплавов и их термообработка
Углеродистой или, как ее еще называют, углеродной сталью называется инструментальная или конструкционная сталь, не содержащая легирующих добавок. Углеродистая сталь подразделяется на низкоуглеродистую (до 0,25% углерода), среднеуглеродистую (от 0,25 до 0,6% углерода) и высокоуглеродистую (до 2% углерода).
Данный сплав нуждается в термической обработке, после которой становится достаточно твердым и прочным чтобы выдерживать достаточные нагрузки в ответственных узлах. Сплав применяется в производстве инструмента. Углеродистая сталь классифицируется как:
Углеродистая сталь благодаря доступной стоимости и высоким прочностным характеристикам относится к широко распространенным сплавам, легко поддается обработке с высокой свариваемостью. Из таких сталей, состоящих из железа и углерода и минимума других примесей, изготавливают различную машиностроительную продукцию, детали котлов и трубопроводов, инструменты высокого качества, проволоку. Широкое применение эти сплавы находят и в строительной сфере. Конкурентом по химическому составу обычной углеродистой черной стали считается нержавеющая сталь, алюминий.
Углеродистые металлы основа для легированных сталей. Легирующие элементы вводятся в состав сталей с целью улучшения ее механических свойств и повышения устойчивости к коррозии. Например, марганец, хром и другие имеют влияние на характеристики. Используя легирующие добавки изменяют физические и химические свойства сплава. Процесс введения легирующих элементов называется легированием. Изготовление из углеродистого сплава легированного подразумевает подсчет количества содержания элементов. Их должно быть не меньше 1%, чтобы они влияли на характеристики. Точные соотношения с содержанием для конструкционных сплавов и инструментальных прописаны в ГОСТ.
Углеродистые стали в зависимости от основной сферы применения подразделяются на:
Характеристики обыкновенной уступают конструкционной углеродистой стали в прочности. Конструкционная сталь по характеристикам хуже инструментальной. Это объясняется процессом изготовления, в металле для инструментов меньше воздуха. В последующих пунктах разберем подробнее процесс изготовления.
Они не содержат в своем составе легирующих добавок. От обычных стальных сплавов эти стали также отличает и то, что в их составе содержится значительно меньшее количество таких базовых химических примесей, как марганец, магний и кремний.
Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Поэтому они подразделяются:
Данный элемент определяет не только свойства углеродистых сталей, но и их структуру. Так, внутренняя структура стальных сплавов, содержащих в своем составе менее 0,8% углерода, состоит преимущественно из феррита и перлита, при увеличении концентрации углерода начинает формироваться вторичный цементит.
Углеродистые стали с преобладающей ферритной структурой отличаются высокой пластичностью и низкой прочностью. Если же в структуре стали преобладает цементит, то она характеризуется высокой прочностью, но вместе с этим является и очень хрупкой. При увеличении количества углерода до 0,8–1% прочностные характеристики и твердость углеродистой стали возрастают, но значительно ухудшаются ее пластичность и вязкость.
Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси. Элементы: кремний, марганец, фосфор, серу, азот, кислород и водород. Часть этих примесей, такие как марганец и кремний, являются полезными, их вводят в состав стали на стадии ее выплавки для того, чтобы обеспечить ее раскисление. Сера и фосфор – это вредные примеси, которые ухудшают качественные характеристики стального сплава.
Хотя считается, что углеродистые и легированные стали несовместимы, для улучшения их физико-механических и технологических характеристик может выполняться микролегирование. Для этого в углеродистую сталь вводятся различные добавки: бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы. При помощи таких добавок не получится сделать нержавейку, но можно заметно улучшить свойства.
Для плавки стали используется углерод и дополнительные элементы. В зависимости от будущего назначения сплава к материалу предъявляются определенные требования к качеству: твердость, пластичность, текучесть и т.д. Корректировку этих параметров можно осуществлять с помощью изменения % содержания углерода. Его процентное соотношение к общему объему является одним из основных условий разделения стали на виды.
Их отличительные качества и особенности описаны в нормативных документах:
Чем больше содержание углерода, тем выше показатель твердости. Однако нужно учитывать, что одновременно с этим возрастает хрупкость. В зависимости от этого показателя сталь по химическому составу разделяют на:
Каждый из этих видов стали имеет определенную область применения в зависимости от характеристик.
Воздействуют на структуру и характеристики за счет термической обработки металлической конструкции. Однако, не все поддается корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига. Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов, деталей в различных сферах машиностроения.
Свойства углерода, как простого вещества:
Также стоит перечислить углеродные модификации. Из кристаллических веществ самыми известными являются: алмаз, карбин, графит, наноалмаз, фуллерит, лонсдейлит, фуллерен, а также углеродные волокна.
К аморфным образованиям относится: древесный, ископаемый и активированный уголь, антрацит, кокс, стеклоуглерод, сажа, техуглерод и нанопена.
Но ничто из перечисленного не является чистой аллотропной формой обсуждаемого вещества. Это лишь химические соединения, в которых углерод содержится в высокой концентрации.
Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя разные направления. Рассмотрим основные классификации металлов.
Виды стали |
Содержание углерода |
Примеры марок |
Низкоуглеродистые металлы |
от 0,02 до 0,25% |
05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2 |
Среднеуглеродистые металлы |
от 0,26 до 0,6% |
25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 |
Высокоуглеродистые металлы |
от 0,61 до 1,35% |
58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13 |
Категория |
Группа |
Примеры марок |
Конструкционные металлы |
Общего назначения |
Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст5 |
Качественные |
05кп, 08кп, 10, 15, 20, 35, 45, 50, 55, 60 |
|
Повышенной обрабатываемости |
А11, А20, А30, А35 |
|
Инструментальные металлы |
- |
У8, У10, У11, У12А |
Специальные или обычные металлы |
Рессорно-пружинные |
65, 70, 75, 80, 85 |
Для строительных конструкций |
С235, С285, С590К |
|
Подшипниковые |
ШХ4 |
|
Для крановых рельс |
К63 |
Варианты раскисления углеродистого сплава:
Отсутствие кислорода в углеродистом сплаве делает его прочным.
Углеродистая сталь делится на 2 основных вида, о которых подробно распишем ниже в статье.
Это самый востребованный вид стали в настоящее время, изготовление происходит методом раскисления. Углеродистой стали обыкновенного качества хорошо свариваются. Она производится в виде проката – горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового.
Углеродистая сталь обычного качества используется для производства:
Конструкционные обыкновенного качества широко применяются в строительстве и машиностроении как наиболее дешёвые, технологичные, обладающие необходимыми свойствами при изготовлении конструкций массового назначения.
К данному металлу повышенные требования, как к химическому составу, так и к механическим свойствам. Регламентируется содержание вредных компонентов для качественной:
Данные сорта материала обозначаются буквой «У» и делятся на два вида: качественные и высококачественные. Качественные марки стали (ГОСТ 1435-99) используются для изготовления инструмента, ответственных элементов в машиностроении, проволоки, а также при производстве точных измерительных приборов.
Важно помнить, что чем лучше показатель твердости, материала, тем более хрупким будет изделие. Так, для инструментальных сортов качественной стали характерна хорошая механическая твердость и прочность, низкая текучесть и пластичность материала.
Из марок качественной стали изготавливают:
Высококачественные стали марок: У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А. Допускается всего 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, изготовленные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:
Углеродистые инструментальные стали разных марок имеют повышенную прочность, и большой показатель ударной вязкости. Металлы используют для создания инструментов и сменных элементов.
Углеродистые сплавы используют повсеместно, благодаря составу металла и доступности, простоте обработки. Технология сварки под флюсом углеродистых сталей подразумевает применение сварочной проволоки и плавленых флюсов: АН-348-А и ОСЦ-45. Сваривание осуществляется на малых величинах тока. Это позволяет «насытить» наплавленный металл необходимым уровнем кремния и марганца для раскисления.
Сферы применения:
Распорные анкеры из углеродистой и нержавеющей стали, сертифицированы для установки в бетоне с трещинами и без трещин для укрепления.
.Все углеродистые согласно маркировке стали делятся на три категории:
У стали обыкновенного качества в начале обозначения стоят буквы Ст. За буквами Ст в маркировке идет цифровое обозначение. Число в маркировке обозначает номер марки металла. Далее, после номера, вписывается тип сплава. Углеродистую сталь обыкновенного качества изготавливают по степени раскисления стали:
Для раскисления стали обычно используют алюминий, который образует весьма прочный окисел Al2O3, выделяющийся в жидком металле в виде отдельной твердой фазы. Также используют для раскисления углерод, ферросилиций, ферромарганец, силикокальций и силикомарганец. При разливке кипящей стали после раскисления в изложницы, она кипит и насыщается газами.
Кипящие стали отличаются неоднородностью структуры и химического состава. Поэтому кипящие металлы не обладают прочностью из-за завариваемых при прокатке воздушных пузырей, которые при вальцовке или штамповке могут привести к расслоению материала.
Спокойная сталь является обладателем наиболее лучших механических свойств по сравнению с другими видами стали, на втором месте находится полуспокойная сталь. Полуспокойная сталь дешевле спокойной стали, кипящая сталь в свою очередь дешевле полуспокойной и спокойной, так как изготовление проще.
Непосредственно перед буквенным обозначением сплава стоит буква, обозначающая группу стали. Если продукт относится к группе А, то найти букву не удастся, она не проставляется. Узнать о том, что перед вами инструментальная сталь, можно по букве «У», стоящей в самом начале ее маркировки. Цифра, следующая за такой буквой, указывает на содержание углерода, но уже в десятых долях процента. Буква «А», если она присутствует в обозначении инструментальной стали, говорит о том, что данный сплав отличается улучшенными качественными характеристиками..
Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-2005). Конструкционные стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т. д.
Для быстрого определения марки производитель наносит специализированной краской соответствующие полосы:
Сталь |
Цвет маркировки |
Марка стали |
Цвет маркировки |
Марка Ст0 |
Красный и зеленый |
СтЗГпс |
Красный и синий |
Марка Ст1 |
Белый и черный |
Ст4 |
Черный |
Марка Ст1Гпс |
Белый и красный |
Ст4Гпс |
Черный и красный |
Марка Ст2 |
Желтый |
Ст5 |
Зеленый |
Марка Ст2Гпс |
Желтый и красный |
Ст6Гпс |
Зеленый и белый |
Марка Ст3 |
Красный |
Ст6 |
Синий |
Степень наличия углерода в материале определяется в самом начале. Количество углерода для металла группы А указывается в сотых частях процента. Для Б и В – в десятых. В некоторых случаях после этих цифр производитель проставляет букву Г. Она означает, что в изделии содержится большое количество марганца. Марганец с Кремнием способствуют быстрому раскислению.
Качественные стали разной маркировки можно разделить на несколько категорий:
Качественные углеродистые сплавы маркируют цифрами, показывающими среднее содержание С в сотых долях. Марки стали, не имеющие индекса, относятся к спокойной стали.
Изготовление стали в металлургической промышленности производится различными способами. Каждый метод производства в какой-то степени отличается и требует разного оборудования. Так, все оборудование для производства углеродистых сталей можно разделить на три типа:
Для производства углеродистых сталей используются различные технологии, что видно и по качественным характеристикам конечного материала. Так, различают:
Обыкновенные углеродные стали выплавляются в мартеновских печах, после чего из них формируют слитки больших размеров. К плавильному оборудованию, которое используется для получения таких сталей, относятся также кислородные конвертеры. Могут содержать больше вредных примесей, чем качественные. Это сказывается на стоимости их производства, а также на характеристиках и качестве. Сформированные и полностью застывшие слитки металла подвергают дальнейшей прокатке, которая может выполняться в горячем или холодном состоянии. Методом горячей прокатки производят фасонные и сортовые изделия, толстолистовой и тонколистовой металл, металлические полосы большой ширины. При помощи прокатки, выполняемой в холодном состоянии, получают листовой металл толщиной 0,2 – 4 мм (тонколистовой).
Для производства углеродистых сталей качественной и высококачественной категорий могут использоваться как конвертеры и мартеновские печи, так и более современное оборудование – плавильные печи, работающие на электричестве. К химическому составу таких сталей, наличию в их структуре вредных и неметаллических примесей соответствующий ГОСТ предъявляет очень жесткие требования. Например, в сталях, которые относятся к категории высококачественных, должно содержаться не более 0,04% серы и не больше 0,035% фосфора. Качественные и высококачественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу их производства и к характеристикам отличаются повышенной чистотой структуры.
На современных предприятиях для производства высококачественных сплавов используются электрические дуговые печи.
Данный элемент, находящийся в таблице под порядковым номером шесть, обозначается символом «С». Электронная структурная формула углерода выглядит следующим образом: 1s2 2s2 2p2. Его масса – 12,0107 а.е.м. У этого вещества имеется:
Следует отметить, что определенная масса углерода содержится в земной коре. 0,023%, если быть точнее. Главным образом он накапливается в верхней части, в биосфере. Большая часть массы углерода литосферы накапливается в доломитах и известняках, в виде карбонатов.
При колебаниях температуры от +20 до +900° плотность рассматриваемых сталей практически не изменяется. Эта величина находится в пределах 7,7–7,9 г/куб.см. Изменить плотность, а также свойства и структуру углеродистой стали позволяет их термообработка. Под такой операцией понимают нагрев сплава, а затем его охлаждение.
Термическая обработка углеродистых сталей бывает следующих видов:
Качественные стали имеют некоторые исключения в обозначениях. К ним относятся:
Из вышеперечисленного следует, что перед использованием изделия из углеродистой стали необходимо обратить внимание на его маркировку. Так можно определить его физико-химические свойства и область предназначения. Зная значение маркировки металлической продукции, не возникнет трудностей при подборе конкретного вида для любых целей и обработки.
Разберем вещества, которые помогут лучше понять суть углеродных сталей и углерода целом. Уникальные модификации углерода:
Недавно был синтезирован необычный класс эндофуллеренов — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. Были обнаружены фуллериды и с еще большей температурой перехода — 33 кельвина, Cs2RbC60. Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.