Углеродистая сталь благодаря доступной стоимости и высоким прочностным характеристикам относится к широко распространенным сплавам. Из таких сталей, состоящих из железа и углерода и минимума других примесей, изготавливают различную машиностроительную продукцию, детали колов и трубопроводов, инструменты. Широкое применение эти сплавы находят и в строительной сфере.
Калиброванный круг из углеродистой стали чаще всего используется в судостроении и машиностроении
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.
Высокая прочность и твёрдость — вот что характеризует углеродистую сталь.
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:
- водороду;
- азоту;
- кислороду;
- кремнию;
- марганцу;
- фосфору;
- сере.
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:
- электростали;
- мартеновские;
- кислородно-конвертерные.
Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.
Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:
- кипящие;
- полуспокойные;
- спокойные.
Содержание углерода делит сталь на 3 категории:
- заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
- эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
- доэвтектоидные – менее 0,8 %.
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:
- низкоуглеродистая (до 0,29 %);
- среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
- высокоуглеродистая (более 0,6 %).
Высокоуглеродистая сталь: характеристики, свойства, марки и маркировка
Высокоуглеродистая сталь по причине ряда неоспоримых достоинств, которыми она обладает, успешно применяется для производства изделий, использующихся во многих отраслях промышленности.
Между тем использование сталей данной категории не всегда целесообразно, поэтому очень важно хорошо разбираться в свойствах и качественных характеристиках подобных сплавов.
Особенности материала
Любая сталь, как известно, является сплавом железа и углерода, в который могут добавляться различные легирующие элементы.
Разделение сталей на мало-, средне- и высокоуглеродистые типы зависит от того, в каком количестве в их составе присутствует углерод.
Данный элемент, который оказывает серьезное влияние на характеристики готового сплава, может содержаться в сталях от 0,02 до 2,14%. В сталях, относящихся к категории высокоуглеродистых, количество данного элемента в составе начинается с отметки 0,6%.
Марки стали и доля различных элементов в их составе
Одной из отличительных особенностей, которой обладают высокоуглеродистые стали, является то, что изделия из них плохо поддаются сварке, ее выполнение приводит к тому, что в зоне сварного шва возникают трещины.
Объясняется это тем, что такие материалы, обладая определенным химическим составом, имеют склонность к образованию закаленных зон в тех местах, где металл подвергается термическому воздействию.
В связи с такой особенностью высокоуглеродистых сталей, выполнять сварку изделий из них стоит только при помощи электродов, обладающих невысокой тепловой мощностью. Сварочная дуга, с использованием которой выполняется соединение изделий из высокоуглеродистых сталей, должна быть восстановительного типа.
Применение окислительной дуги в таких случаях приведет к тому, что из состава стали будет выжигаться углерод, и, как следствие, металл в области сварного шва станет более пористым. Между тем такого отрицательного эффекта можно избежать, если предварительно прогреть соединяемые изделия до температуры 200–2500.
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.
Методы производства и различия по качеству
По методам производства сплавы делятся на три типа:
- мартеновские;
- конвекторные;
- в электропечах.
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.
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.
Классификация по степени раскисления
По степени раскисления углеродистые сплавы делятся на такие типы:
- кипящие;
- спокойные;
- полуспокойные.
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.
