Углеродистая сталь — свойства, марки, классификация и применение сталей

Классификация углеродистых сталей по степени раскисления

Спокойные

Такие сплавы обладают наиболее однородной структурой. Для раскисления используют алюминий, ферросилиций и ферромарганец, которые практически полностью удаляют находящие в расплаве газы. Сочетание практически полного отсутствия газов с мелкозернистой структурой, обусловленной наличием остаточного алюминия, обеспечивает хорошее качество металла. Эти марки подходят для изготовления деталей, изделий и конструкций ответственного назначения. Основной недостаток – высокая стоимость.

Кипящие

Это наиболее дешевая и наименее качественная группа. Из-за использования минимального количества добавок для раскисления в материале присутствуют растворенные газы, которые являются причиной неоднородности структуры, химического состава, а следовательно механических свойств. Такие металлы обладают плохой свариваемостью, поскольку из-за присутствия газов высока вероятность образования трещин на швах.

Полуспокойные

Группа занимает промежуточное положение по стоимости и характеристикам. В отливке образуется гораздо меньше газовых пузырьков, по сравнению с кипящими сталями. При прокатке внутренние дефекты в основной массе устраняются. Такие материалы часто применяются в качестве конструкционных сплавов.

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:

• «Челябинский»;
• «Украинская кузница» — Челябинская область;
• «Ижсталь» — Удмуртия;
• Белорецкий меткомбинат — Башкортостан.

Металлургическая промышленность по производству черного металла располагается поближе к месторождениям железной руды и угля. Для заводов цветного литья важнее источники электроэнергии.

Плотность сплавов и их термообработка – что полезно знать?

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. По сути, плотность УС аналогична показателю плотности железа. Это логично, ведь основу любого углеродистого сплава составляет именно оно. Изменить плотность, а также свойства и структуру УС позволяет их термообработка. Под такой операцией понимают нагрев сплава, а затем его охлаждение.

Термообработка стали

Термическая обработка углеродистых сталей бывает следующих видов:

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

Применение отжига металла позволяет получить сплавы со структурой, мало чем отличающейся от равновесной. Такая операция осуществляется по простой схеме: нагрев металла до определенной температуры и его выдержка в течение заданного времени, а затем охлаждение проката (оно происходит, как правило, вместе с печью на протяжении относительно длительного временного отрезка). Закалка углеродистой стали производится аналогичным образом. Но охлаждается нагретый металл в данном случае с заданной (достаточно быстрой) скоростью. Она подбирается металлургами так, чтобы готовый прокат получил полностью мартенситную структуру. При закалке обязательным является применение специальных масел, соляных растворов либо воды. Эти жидкости обеспечивают быстрое охлаждение УС.

Отпуск дает возможность получить прокат с определенными свойствами. Он применяется только для закаленных ранее сплавов. Отпуск обеспечивает снятие напряжений (внутренних) в металле и повышение его механических параметров. Углеродистая сталь, кроме того, может подвергаться нормализации (нагрев, выдержка и остывание естественным путем на открытом воздухе). Такой процесс не относят к основным типам термообработки. Он, скорее, представляет собой подвид стандартной закалки или отжига.

Назначение

Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.

С особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

Контроль качества обыкновенных и углеродистых сталей, их маркировка по ГОСТ

Исследования химического состава готовой продукции выполняются по далее указанным Государственным стандартам:

• 28033;
• 22536 (0–11);
• 17745;
• 27809;
• 18895;
• 12359.

Разрешено применять и иные методы, коими располагают метпредприятия. Но такие методы обязаны обеспечивать заданную точность анализа и осуществляться в утвержденном на комбинате порядке.

Важно! Пробы для исследования на соответствие продукции требуемому химическому составу отбираются строго по положениям, изложенным в стандарте 7565.

Еще один важный момент. Массовые части меди, хрома, азота, мышьяка и никеля в обыкновенных углеродистых сплавах можно не определять в тех случаях, когда производитель гарантирует их соответствие принятым нормам.

ГОСТ 380 требует, чтобы отгрузка стали потребителю производилась по стандарту 7566. Кроме того, углеродистая сталь обязательно маркируется разными цветами (используется несмываемая краска):

• зеленым и красным – Ст0;
• желтым и черным – Ст1;
• желтым – Ст2;
• коричневым и синим – Ст3Гсп;
• коричневым и красным – Ст3Гпс;
• красным – Ст3;
• черным – Ст4;
• коричневым и зеленым – Ст5Гпс;
• зеленым – Ст5;
• синим – Ст6.

Особенности других типов конструкционных сталей

Конструкционные сплавы, относящиеся к категории износостойких, содержащие в своем составе значительное количество легирующих добавок, могут быть низко- и высокоуглеродистыми. Из таких сталей, отлично противостоящих не только механическому изнашиванию, но и кавитационной коррозии, производят элементы дробильного оборудования, траки, лопасти насосного оборудования и др. Наиболее популярными марками этих сплавов являются ОХ14АГ12, ОХ14АГ12М, 12Х18Н9Т, Г13.

Углеродистые стали, которые относятся к категории автоматных (А40Г, АЦ40Г2, АЦ45Х и др.), включают различные элементы: 0,6–1,5% марганца, 0,05–0,16% фосфора, 0,05–0,3% серы. Углерода в таких сплавах содержится до 0,45%. Значительно улучшить их качественные характеристики позволяет добавление таких элементов, как селен, свинец и кальций. Из этих конструкционных углеродистых сталей, не отличающихся высокой прочностью, изготавливают детали для автопрома: болты, шпильки, шайбы и др.

Сферы применения некоторых пружинистых сталей

Пружинистые стали (50ХФА, 55С2, 60С2ХФА, 65ГЮ, 70С2ХА и др.) в полном соответствии со своим названием отличаются хорошей вязкостью и пластичностью, также их характеризуют высокая прочность и упругость. Сюда относятся как низколегированные, так и среднеуглеродистые сплавы, в которых содержится 0,6–0,8% углерода. При их сваривании могут образовываться трещины. Такие стали используются для производства пружин и рессор различного назначения.

К категории улучшаемых относят конструкционные стали, внутреннюю структуру которых составляет мартенсит в форме мелких игл. В плотной структуре таких углеродистых сплавов отсутствуют неметаллические включения, а также карбидная ликвация и сетка. Главными достоинствами этих низколегированных и высокоуглеродистых сталей (содержание углерода – до 1,05%) являются повышенная твердость и износостойкость. Отличительной особенностью маркировки таких сплавов является то, что она всегда начинается с литеры «Ш» (ШХ4, ШХ15Ш, ШХ15СГ и др.).

Сталь марки ШХ15 применяется для производства изделий. от которых требуется износостойкость, высокая твердость и контактная прочность

Конструкционные стали в машиностроительной отрасли

Особенности химического состава позволяют выделить в конструкционных сталях, используемых для производства машиностроительной продукции, две большие группы:

• мало- и среднеуглеродистые;
• низко- и среднелегированные.

Состав и свойства углеродистых машиностроительных сталей

Углеродистые стали, используемые для производства различной продукции в машиностроительной отрасли, должны соответствовать целому ряду качественных и механических характеристик, к самым значимым из которых относятся:

• ударная вязкость;
• пластичность;
• прочность.

Структура большей части конструкционных углеродистых сталей, используемых для производства машиностроительной продукции, относится к доэвтектоидному перлитному типу. Наиболее популярными марками таких сталей являются 30Х2ГСН2ВМ, 30ХГСН2А, 40ХН2СМА, 25Х2ГНТРА и др. Чтобы увеличить вязкость углеродистых сплавов данного типа, в их состав вводят молибден и никель.

Сталь марки 25Х2ГНТА используется для изготовления болтов, балок и сосудов

На различные типы машиностроительные конструкционные стали подразделяют еще и в зависимости от того, подвергнуты ли упрочнению изделия, которые из них изготовлены. Так, различают изделия:

• не подвергавшиеся упрочнению;
• у которых упрочнению подвергнут только поверхностный слой;
• у которых упрочнению подвергнут весь объем металла.

Отдельные марки машиностроительных конструкционных сплавов (08кп, 15кп, Ст3 и др.), из которых изготавливается преимущественно листовой металл, не подвергаются никакой термической обработке. Поскольку такой листовой металл используется для производства различных изделий методом деформирования в холодном состоянии, к его пластичности предъявляются повышенные требования. Такую пластичность обеспечивает минимальное количество кремния и углерода. Кроме способности хорошо деформироваться в холодном состоянии, стали данных марок характеризуются и отличной свариваемостью.

Химический состав штамповых сталей

Конструкционные стальные сплавы, относящиеся к категории качественных, в обязательном порядке подвергаются термической обработке:

• закалке поверхностного слоя, после которой может быть проведен отпуск металла;
• закалке, выполняемой по стандартной технологии, после которой в обязательном порядке проводится процедура отпуска (сочетание данных типов термообработки металла дает хорошую свариваемость изделий из него);
• нормализации металла.

Конструкционные легированные стали маркировка и применения

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин.

Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском в районе 550—680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность.

Легирующие элементы — химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости.

Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях — в пределах 0.25-0.50 %.

Две цифры вначале маркировки указывают на конструкционные стали (одна цифра — на инструментальные). Это содержание в стали углерода в сотых долях процента.

• Буква без цифры — определённый легирующий элемент с содержанием в стали менее 1 %.(А-азот, Р-бор, Ф-ванадий, Г-марганец, Д-медь, К-кобальт, М-молибден, Н-никель, С-кремний, Х-хром, П-фосфор, Ч-редкоземельные металлы, В-вольфрам, Т-титан, Ю-алюминий, Б-ниобий)
• Буква и цифра после неё — определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).
• Буква А в конце маркировки — указывает на высококачественную сталь.

Например 38Х2Н5МА — это среднелегированная высококачественная хромоникелевая конструкционная сталь. Химический состав: углерод — около 0,38 %; хром — около 2 %; никель — около 5 %; молибден — около 1 %.

XIX. Стали инструментальные углеродистые: классификация, маркировка и применение

сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента.

Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную.

Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно.

1. Инструментальные стали делятся на четыре категории:
2. Пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые)
3. Повышенной прокаливаемости (легированные)
4. Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А
5. c У7, У7А Для обработки дерева ; У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки ; У10А, У12А Для сердечников ; У10, У10А Для игольной проволоки ; У10, У10А, У11, У11А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки ; У12, У12А Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных; У13, У13А Для инструментов с повышенной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях

XX. Белые чугуны: получение, свойства, применение

Получение белого чугуна зависит от наличия в составе чугуна карбидо-образующих элементов и скорости охлаждения. Наличие марганца, хрома, ванадия, вольфрама, молибдена и ряда других элементов способствует образованию белого чугуна. Повышенные скорости охлаждения также способствуют образованию белого чугуна.

белый чугун обладает высокой твердостью (HB = 4500 – 5500 МПа), хрупок и практически не поддастся обработке резанием. Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как конструкционный материал.

Белый чугун как конструкционный материал не применяется. Весь он идет на дальнейшую выплавку стали, поэтому называется иногда передельным чугуном

Уже более 3 000 лет человечество обрабатывает железо изготавливая различные орудия, машины, домашнюю утварь. Несмотря на относительно высокие механические свойства этого металла его разрушение в результате коррозии не способствует долговременному использованию железных изделий на открытом воздухе.

Ещё одним существенным ограничением в использовании данного металла является его невысокие эстетические качества. Чтобы существенно улучшить данные свойства при производстве стали используются добавки придающие устойчивость к окислению, появлению на её поверхности блеска и существенному увеличению прочности металла.

Что такое легированная сталь

Это углеродистая сталь для улучшения технологических свойств которой введены специальные легирующие элементы. Процент добавок в составе невелик, но даже при незначительной концентрации, физические свойства металла улучшаются в несколько раз.

В зависимости от вида используемых добавок при производстве стали металл приобретает следующие свойства:

• неподверженность коррозии;
• упругость;
• тугоплавкость;
• прочность.

Для придания перечисленных качеств в состав добавляют следующие металлы:

Зачастую в углеродистую сталь достаточно добавить 1 — 3% легирующих элементов для придания ей необходимых свойств и качеств.

Виды легированных сталей

От процентного содержания добавок стали разделяются на:

1. Низколегированные — содержание добавок менее 2,5%
2. Среднелегированные — 2,5 — 10%.
3. Высоколегированные — более 10%.

Также легированные стали подразделяются на следующие виды:

• конструкционные;
• инструментальные;
• с особыми физическими свойствами.

Конструкционные и инструментальные изделия используются в тех областях применения металлов, где необходима повышенная прочность. Легированные стали с особыми физическими свойствами могут быть устойчивыми к коррозии, высокой температуре и к химически агрессивным средам.

Маркировка легированных сталей

Из-за большого разнообразия сплавов с улучшающими добавками появилась необходимость в их маркировке. Легированные стали классификация и маркировка которых будет приведена ниже очень легко идентифицировать по буквенному обозначению, а также по указанию процентного состава тех или иных веществ в металле.

Маркировка включает в себя буквы, которые обозначают предназначение металла.

1. Ж, Х, Е — обозначение нержавеющих, хромистых и магнитных сплавов.
2. Я — хромоникелевая нержавеющая сталь.
3. Ш — шарикоподшипниковая.
4. Р — режущая.
5. А, Ш — качественная и высококачественная легированная сталь.

Также в сплавах могут содержаться следующие элементы:

• Азот — А
• Алюминий — Ю
• Бериллий — М
• Бор — П
• Вольфрам — В
• Ванадий — Ф
• Кобальт — К
• Кремний — С
• Марганец — Г
• Медь — Д
• Молибден — М
• Магний — Ш
• Ниобий — Б
• Никель — Н
• Селен — Е
• Титан — Т
• Фосфор — П
• Хром — Х
• Цирконий — Ц
• Редкоземельные металлы — Ч

Если легированные стали маркировка которых после букв не имеет цифр не содержат ниобия, молибдена, ванадия, алюминия, азота, бора, титана, циркония и редкоземельных металлов, то это будет говорить о том, что в материале содержание легирующего элемента менее 1,5%. Для перечисленных выше металлов имеется исключение из данного правила, по причине влияния на механические свойства сплава даже десятых долей процента.

Если перед буквенным обозначением стоит цифра, то это показатель содержания кремния, а расположение цифр после буквы указывает процентное соотношение обозначенных химических элементов.

Применение легированных сплавов

Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам легированная сталь применение находит в машиностроении, изготовлении инструментов, труб и строительных материалов.

Детали машин обычно изготавливают из перлитных металлов. К этой категории материалов относятся низколегированные и среднелегированные стали, которые после отжига имеют структуру позволяющую легко обрабатывать металл с помощью режущего инструмента.

Низколегированные стали благодаря повышенным прочностным характеристикам позволяют существенно экономить денежные средства при строительстве крупногабаритных сооружений и машин. Например, в судостроительстве благодаря использованию материала удаётся уменьшить толщину применяемого металла.

Легированные стали с добавками хрома широко используются для производства изделий, которые устойчивы к воздействия молочной и уксусной кислоты, а также следующих деталей работающих под значительным давлением:

1. Поршневые пальцы, карданные крестовины и другие изделия предназначенные для эксплуатации в условиях повышенного износа.
2. Кулачковые муфты, плунжеры и шлицевые валики.
3. Шестерни коробок передач и червячные валы, а также другие изделия для работы на малых и средних скоростях.

Высоколегированная сталь широко используется для производства деталей устойчивых к коррозионному разрушению. Такие изделия также устойчивы к высоким температурам и способны работать в условиях до +1100 градусов.

Некоторые виды сплавов благодаря особым тепловым качествам имеют специальное применение, например:

1. ЭН42 — материал обладает коэффициентом расширения таким же как и у стекла, поэтому применяется в качестве электродов в лампах накаливания.
2. Х8Н36 — обладает постоянной упругостью, которая не изменяется в температурных пределах от минус 50 до +100 градусов. Благодаря неизменяемой упругости такой материал широко используется для производства пружин для часовых механизмов и стрелочных измерительных приборов.
3. И36 — сплав обладает нулевым коэффициентом температурного расширения, поэтому идеально подходит для изготовления различных эталонов и калибровочных изделий.

Сварка легированных сталей: особенности

Легированные сплавы обладают хорошей пластичностью, поэтому из них можно изготовить сложные конструкции методом сварки. По причине различного содержания добавок каждый тип легированных изделий имеет свои особенности.

Сварка низколегированных сталей

Особенность сварных соединений низколегированных сталей заключается в высокой сопротивляемости холодным трещинам и хрупкому разрушению. Но, такие свойства соединительного шва можно достичь только при правильном сваривании.

Если процесс предварительного нагрева будет нарушен либо сварной шов подвергнется слишком быстрому остыванию металл может получить в местах соединения микроскопические повреждения, которые значительно уменьшат прочность всей конструкции.

Низколегированные стали марки 10Г2СД, а также 14ХГС и 15ХСНД свариваются с использованием аппарата постоянного тока с обратной полярностью. Электроды для сваривания должны иметь фтористо-кальциевое покрытие.

Величина сварочного тока должна точно соответствовать типу электрода, толщине металла и типу сплава.

Несоблюдение этого требования также отразится на качестве сварного шва и, как следствие, на прочности изготавливаемой конструкции.

Сварка низколегированной стали должна осуществляться без перерыва, чтобы весь шов был выполнен без при температуре металла не менее 200 градусов. Средняя скорость сварки составляет 20 м/ч, при напряжении 40 В и силе тока 80 А.

Сварка среднелегированных сталей

При изготовлении конструкций из среднелегированных сталей необходимо использовать сварочные материалы, в которых содержание легирующих элементов должно быть меньше, чем в свариваемом материале.

Только при использовании таких материалов можно добиться получения шва с высокой устойчивостью к деформации. Если при изготовлении изделий из среднелегированных сталей толщина листа не превышает 5 мм, то высокого качества соединения можно достичь при использовании аргонодуговой сварки.

Если для соединения деталей используется газовая сварка, то в качестве источника горения следует применять ацетилен в смеси с кислородом.

Гост 380-2005 — действующий

Обозначение стали по ГОСТ 380-2005

• Ст: обозначение стали углеродистой обыкновенного качества
  3: условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава – 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
  Г: буква Г присутствует в обозначении, если массовая доля марганца в стали превышает 0,8 %
• сп: степень раскисления стали: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная

Устаревшие обозначения стали по ГОСТ 380

Часто, особенно в Сети,  встречаются устаревшие обозначения углеродистых сталей общего назначения, например, ВСт3пс. Встречаются ссылки на редакции ГОСТ 380 от 1971, 1988, 1994, 1960 и даже 1950 годов!

Дело в том, что ГОСТ 380-1971 (давно замененный) предусматривал поставку сталей трех групп:
группа А – с гарантируемыми механическими свойствами (сталь не подвергалась термической обработке);
группа Б – с гарантируемым химическим составом (сталь подвергалась термической обработке);

группа В – с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом (для сварных конструкций).

Стали группы А обозначались также как и по действующему ГОСТ 380-2005 (см. выше), например, Ст3кп.

Стали группы Б применялись только в самых неответственных случаях.

Действующий ГОСТ 380-2005 в отличие от ГОСТ 380-71 определяет только химический состав сталей. Механические и другие свойства определяют стандарты на конкретные виды стального проката, например, ГОСТ 535-88 на сортовой и фасонный прокат, а ГОСТ 14637-89 – на толстолистовой прокат.

Цветная маркировка проката из стали по ГОСТ 380-2005

Ст0 – красный и зеленый
Ст1 – желтый и черный
Ст2 – желтый
Ст3 – красный
Ст3Гпс – красный и коричневый
Ст3Гсп – синий и коричневый
Ст4 – черный
Ст5 – зеленый
Ст5Гпс – зеленый и коричневый

Ст6 — синий

Таблица 1- Химический состав стали по ГОСТ 380-2005 по анализу ковшевой пробы

Таблица 2 — Предельные отклонения по химическому составу стали по ГОСТ 380-2005 в готовом прокате, слитках, поковках и изделиях дальнейшего передела

Таблица 3 — Соотношение обозначений марок стали по ГОСТ 380-2005, ИСО 630:1995 и ИСО 1052:1982

Виды нелегированных углеродистых сталей по содержанию углерода

Низкоуглеродистые с содержанием C не более 0,25%

Большая часть этой продукции выпускается в виде холоднокатаных или отожженных листов и полос. Свойства, а следовательно области ее применения, зависят от процентного соотношения компонентов:

• До 0,1% C, Mn менее 0,4%. Высокая способность к горячей деформации и холодному волочению. Материалы востребованы при производстве проволоки, очень тонкого листа, используемого при изготовлении тары, а также для изготовления корпусов автомобилей.
• C 0,1-0,25%. Способность к деформированию ниже, чем у вышеописанной группы, но твердость и прочность выше. Часто эти марки востребованы для производства деталей с цементуемым поверхностным слоем. Процесс цементации позволяет получить износостойкий поверхностный слой в сочетании с вязкой сердцевиной. Это актуально для валов и шестерен.
• C на уровне 0,25%, Mn и Al – до 1,5%. Обладают высокой вязкостью. В металлы, предназначенные для штамповки, ковки, производства бесшовного трубного проката и листа для котлов, алюминий не добавляют.
• C на уровне 0,15%, Mn – до 1,2%, Pb до 0,3% или без него, минимальное количество Si. Эту группу применяют в массовом производстве на автоматических линиях деталей, не предназначенных для восприятия серьезных механических и температурных нагрузок. Для изделий с высокими требованиями по пластичности, вязкости, коррозионной стойкости сплавы не применяются.

Среднеуглеродистые с C0,2-0,6%

Содержание марганца обычно находится в пределах 0,6-1,65%. Применяются при производстве продукции, запланированной для эксплуатации при высоких нагрузках. Обычно их производят спокойными. Упрочняются нагартовкой или термообработкой. Все стали этой группы могут подвергаться ковке. Данная металлопродукция широко применяется в машиностроении. Марки с высоким содержанием углерода (0,4-0,6%) востребованы при производстве железнодорожных рельсов, колес и осей вагонов.

Высокоуглеродистые – 0,6-2,0%

Повышение количества углерода до 1% приводит к росту прочности и твердости при постепенном снижении предела текучести и пластичности. При росте процентного соотношения C выше 1% начинается формирование грубой сетки из вторичного мартенсита, приводящей к понижению прочности материала. Поэтому стали с содержанием C более 1,3% практически не изготавливают.

Высокоуглеродистые марки имеют высокую себестоимость изготовления, обладают низкой пластичностью, плохо свариваются. Область применения этой группы достаточно ограничена – производство режущего инструмента, в том числе предназначенного для землеройной и сельскохозяйственной техники, изготовление высокопрочной проволоки.

Особенности химического состава разных марок

В Ст5Гпс углерода может быть не более 0,30 и не менее 0,22 %. В кипящих сталях марок 2, 3 и 4, которые впоследствии используются для производства фасонного и сортового проката, кремния может содержаться немного больше (до 0,07 процента). А в Ст3 (кп, пс и сп), применяемых для тех же целей, не нормируется минимальное содержание углерода (если готовая сталь характеризуется необходимым качеством механических параметров).

В Ст3, Ст4 и Ст5 любой степени раскисления для толсто- и тонколистового проката до 10 миллиметров толщиной ГОСТ разрешает уменьшать минимальное содержание марганца на 0,10 %.

Если полуспокойные марки раскисляются титаном и алюминием либо смесью ферросилиция с этими элементами, кремния может быть меньше, чем требуемые 0,05 %.

В тех случаях, когда сталь производится по скрап-технологии, никеля и хрома в ней может быть до 0,35 %, а меди – до 0,40. Для любой Ст3 при этом соблюдается условие о массовой части углерода до 0,20 %.

Допустимые отклонения готовых сплавов по химсоставу в ГОСТ следующие:

• сера и фосфор: +0,005 (спокойная и полуспокойная сталь) и +0,006 (кипящая);
• углерод: от -0,02 до +0,03 и ± 0,03;
• кремний: от 0,02 до +0,03 (сп и пс), для кипящей стали отклонения не допускаются;
• азот: +0,002 для любого уровня раскисления;
• марганец: от -0,03 до +0,05 и от -0,04 до + 0,05.

Химический состав сталей обыкновенного качества

Химсостав рассматриваемых углеродистых сплавов строго регламентируется ГОСТ. В соответствии с этим регламентом содержание кремния в сталях варьируется от 0,05 до 0,15 % для полуспокойных марок (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс и т.д.) и от 0,15 до 0,30 % для спокойных. В кипящих сталях допускается присутствие кремния до 0,05 %, а в Ст0 его (как и марганца) нет.

Углерода в разных марках обыкновенных углеродистых стальных композиций по ГОСТ может быть:

• 0,06–0,12 % (Ст1);
• 0,09–0,15 % (Ст2);
• 0,14–0,22 (Ст3);
• 0,18–0,27% (Ст4);
• 0,28–0,37 (Ст5);
• 0,38–0,49 (Ст6);
• до 0,23 % (Ст0).

Марганец присутствует в следующих процентных концентрациях:

• 0,25–0,50 (Ст1 и Ст2);
• 0,40–0,65 (полуспокойная и спокойная Ст3);
• 0,30–0,60 (кипящая Ст3);
• 0,40–0,70 (Ст4);
• 0,80–1,10 (СтГсп и Ст3Гпс);
• 0,50–0,80 (полуспокойная и спокойная Ст5 и Ст6);
• 0,80–1,20 (Ст5Гпс).

Фосфора по ГОСТ 380 во всех марках интересующих нас сталей (кроме Ст0) – до 0,04 %, серы – до 0,05 (в Ст0 – до 0,07 и 0,06 % соответственно). Никеля, хрома и меди в углеродистой стали не может быть свыше 0,30 %. Исключение составляет лишь Ст0, в которой их нормирования не предусматривается.

Азот содержится в следующих количествах:

• до 0,01 % (конверторная и мартеновская сталь);
• до 0,012 % (стали, изготовленные в электрических сталеплавильных печах).

Физические показатели

Главные показатели, характерные для стальных сплавов обыкновенного качества, имеют следующий вид:

при проверке на сжатие/растяжение Коэффициент Пуансона составляет порядка 0,24-0,28;

модуль продольной упругости (Юнга) для сталей обыкновенного качества составляет 20500 кг/мм2;

еще одним показателем, характеризующим степень упругости углеродистой конструкционной стали является модуль сдвига. Для сталей рассматриваемого вида он составляет 8100 кг/мм2;

плотность. В зависимости от системы исчисления составляет: 7800 кг/м3 в системе СИ, 7,8 г/см3 в системе СГС и 796 тем/м3 в системе МКСС;

допускаемое напряжение для конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества составляет 14 кг/мм2, как на сжатие, так и на растяжение.

Классификация конструкционных углеродистых сталей по качеству, их маркировка и применение

Конструкционные стали обыкновенного качества

Их производят в соответствии с ГОСТом 380-2005, в продажу поставляют в виде листового, сортового и фасонного проката. ГОСТ подразумевает выпуск следующих марок:

• Ст0;
• Ст1пс, Ст1сп, Ст1кп;
• Ст2пс, Ст2сп, Ст2кп;
• Ст3пс, Ст3сп, Ст3кп, Ст3Гсп, Ст3Гпс;
• Ст4пс, Ст4сп, Ст4кп;
• Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс;
• Ст6пс, Ст6сп.

Буквенно-цифровая маркировка этой группы сплавов:

• Ст – сталь;
• цифры 0-6 обозначают номер марки;
• наличие в обозначении буквы «Г» указывает на присутствие марганца в количестве 0,8% и более;
• последние две буквы характеризуют степень раскисления, сп – спокойная, пс – полуспокойная, кп – кипящая.

Молекулярная структура сплавов углеродистой стали обыкновенного качества

Уровень содержания углерода в стальных сплавах имеет первостепенное значение и регулируется ГОСТом. Количество углерода в конструктивной углеродистой стали зависит от марки и составляет:

• не более 0,23% для марки Ст0;
• от 0,06 до 0,12% углерода содержится в сплавах обыкновенного качества марки Ст1;
• от 0,09 до 0,15% углерода характерно для стали марки Ст2;
• от 0,14 до 0,22% углерода содержится в марке конструктивной углеродистой стали Ст3;
• от 0,18 до 0,27% согласно госту может присутствовать в марке Ст4;
• от 0,28 до 0,37% углерода может содержаться в марке Ст5;
• не менее 0,38 и не более 0,49% углерода допустимо для сплавов марки Ст6.

Марганец присутствует в сплавах в ограниченном количестве и регламентируется действующими нормативными документами:

• для марок конструктивной углеродистой стали Ст1 и Ст2 доля марганца может варьировать в пределах 0,25–0,5% от общей массы вещества;
• для полуспокойных и спокойных сплавов обыкновенного качества марки Ст3 доля марганца может составлять 0,4–0,65%. А для сплавов аналогичного типа раскисления с маркировкой Ст5 и Ст6 данный показатель составляет уже 0,5–0,8%;
• сплав кипящего типа раскисления марки Ст3 согласно установленным госнормативам содержит от 0,3 до 0,6%;
• стальной прокат обыкновенного качества с маркировкой Ст4 содержит от 0,4 до 0,7%;
• в марках СтГсп и Ст3Гпс марганец может присутствовать в пропорции от 0,8 до 1,1%;
• для марки сплава Ст5Гпс нижний предел содержания Mn установлен на уровне 0,8, верхний достигает 1,2% от общей массы вещества.

Уровень содержания азота в конструктивных углеродистых сплавах также регламентируется Госстандартом и составляет:

• не более 0,01% для сплавов, полученных путем плавления в мартеновской или конверторной печи;
• не более 0,012% для сплавов, полученных при помощи электропечей

Помимо указанных выше элементов, сплавы конструкционной углеродистой стали могут содержать в незначительных количествах и другие добавки. В том числе, и частицы произвольно попавших в сплав элементов, не оказывающих воздействия на характеристики сплава. Солгано нормативам ГОСТа, в стальном сплаве допускается содержание:

• не более 0,04% фосфора (P). Исключение составляет марка стали Ст0, в которой присутствие данного элемента не допустимо;
• не более 0,05% серы (S). При производстве сплава Ст0 допускается превышение нормы до 0,06–0,07%;
• не более до 0,3% хрома (Cr), никеля (Ni) и меди (Cu). Что касается марки Ст0, то ГОСТом, наличие в этом сплаве данных элементов не оговаривается.

Отдельного внимания заслуживают некоторые марки конструкционной углеродистой стали с индивидуальными стандартами:

• для Ст5Гпс доля углерода должна составлять не меньше 0,2 и не больше 0,3% от общей массы вещества;
• стальные сплавы обыкновенного качества, кипящего типа, марок с маркировкой 2, 3 и 4, используемые для изготовления стального проката могут содержать до 0,07% кремния (Si);
• сплавы марки Ст3 (не зависимо от типа раскисления) не имеют нижнего предела доли углерода, находящегося в составе сплава.

Для получения качественного сырья важно контролировать соответствие физических свойств нормативам, указанным в госстандартах. При этом нужно учитывать некоторые особенности производства отдельных категорий проката:

• Если из сплавов обычного качества марок Ст3, Ст4 и Ст5 со степенью раскисления кп, пс и сп изготавливается сортовой прокат, и толщина изделия при этом не превышает 1 см, согласно Госстандарту, нормативы которого актуальны на сегодняшний день, содержание марганца (Mn) может отклонятся от установленной нормы в меньшую сторону на 0,1%.
• Если из конструкционной углеродистой стали марки Ст3пс изготавливается швеллер с применением способа горячей катки, доля марганца в составе сплава должна находится в пределах 0,4–0,65%.

Для получения качественного сплава конструкционной углеродистой стали с полуспокойной степенью раскисления норма содержания кремния (Si) может быть уменьшена, но только в том случае, если сплав получен посредством введения в состав титана (Ti), алюминия (Al) или смеси обеих эллементов с добавлением феррита кремния.

Если сплав обыкновенного качества получают способом скраб-методики в составе могут присутствовать такие элементы, как никель (Ni), хром (Cr), содержание которых достигает 0,35%, а также до 0,4% меди (Cu). При производстве таким способом конструкционной углеродистой стали марки Ст3, уровень содержания углерода в сплаве не должен превышать 0,2%.

В готовых сплавах допускается содержание примесей со следующей погрешностью:

• для серы и фосфоры допустимо отклонение на +0,005% в сплавах с полуспокойным или спокойным раскислением и на +0,006%, если сплав получем с помощью кипящего типа раскисления;
• доля углерода может отклонятся в интервале от –0,02 до +0,03% (для типов раскисления сп и пс) или ±0,03% (для типа раскисления кп);
• погрешность в содержании кремния может составлять от –0,02 до 0,03% (для типов раскисления сп и пс). Сталь, полученная с применением кипящего метода раскисления, не может иметь погрешностей в содержании кремния;
• погрешность в содержании азота может составить до +0,02% для любого типа раскисления;
• для марганца допускается отклонение от –0,03% до +0,05% (для типов раскисления сп и пс) и от –0,04 до +0,05% (для кипящего типа раскисления).

Марка Ст5

Сплавы этой марки применяются в том случае, если для повышения качественных характеристик изделия будут подвергаться термообработке. Кроме того, сплав подходит для производства элементов подъемных конструкций, эксплуатация которых проходит при средних нагрузках.

Технология изготовления

Изготовление стали в металлургической промышленности производится различными способами. Каждый метод производства отличается, в зависимости от применяемого оборудования. Так, все оборудование для производства углеродистых сталей можно разделить на три типа:

• Конверторные плавильные печи.
• Печи мартеновского типа.
• Электрические печи.

Конверторные

Конверторные печи осуществляют расплавление всего состава сплава. При таком методе расплавленная масса подвергается обработке техническим кислородом. Для очистки раскаленной массы от разнообразных примесей в нее добавляют известь. Так удается превратить примеси в шлак. Во время производственного процесса активно происходит процесс окисления металла. Это провоцирует выделение большого количества угара.

Изготовление углеродистых сталей в печах конверторного типа имеет существенный недостаток. К нему относится то, что при работе происходит выделение большого количества пыли. Это приводит к необходимости установки дополнительных фильтровальных установок, что влечет за собой затраты денежных средств. Несмотря на это, конверторный метод имеет высокую производительность, и широко применяется в металлургии.

Мартеновские

Получение различных марок углеродистой стали с использованием печей мартеновского типа дает возможность получить конечный продукт высокого качества. Производственный процесс происходит следующим образом:

• В специализированный отсек печи загружаются составляющие сплава: чугун, стальной лом и т. д.;
• Весь состав нагревается до высокой температуры;
• Под воздействием температуры все составляющие превращаются в однородную раскаленную массу;
• При плавлении происходит взаимодействие всех компонентов сплава железа и углерода;
• Материал, получившийся в результате химического взаимодействия, выходит из печи.

Принцип работы мартеновской печи

Электрические

Способ получения различных марок углеродистой стали в электрических печах отличается от вышеперечисленных. Его отличие состоит в способе нагрева состава. Применение электричества для разогрева компонентов снижает окисляемость металла. Это значительно уменьшает количество водорода в составе металла, что улучшает структуру сплава и влияет на качество окончательного продукта.

Отличительные характеристики сталей иных конструкционных типов

Сплавы конструкционного типа, являющиеся устойчивыми к износу, производят с добавлением большого количества легирующих составляющих. При этом они могут быть не только низкоуглеродистыми, но и с высоким показателем содержания углерода. Используются такие стали при изготовлении частей дробильных устройств, лопастей к насосам, траков. Во многом это обязано устойчивостью к механическим нагрузкам в процессе работы и кавитационной коррозии. Из них самыми популярными и востребованными среди потребителей данной продукции являются марки 12Х18Н9Т, ОХ14АГ12, ОХ14АГ12М, Г13.

Те виды проката, который относят к автоматному (А40Г, АЦ45Х, другие) содержат следующие компоненты: Mg = 0,6 – 1,5 %, Р = 0,05 – 0,16 %, S = 0,05 – 0,3 %. Основного компонента – С2 в нем 0,45 %. При добавлении селена, кальция и даже свинца позволяет повысить качественные свойства. Полученные характеристики позволяют производить конструкции для сферы автопрома. К таким относятся болты, шурупы, шпильки, прочее.

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.