Углеродистые стали классификация маркировка и применение

Классификация и маркировка углеродистых сталей

По структуре в равновесном состоянии различают доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,025 до 0,8%, их структура состоит из феррита и перлита. Содержание углерода в эвтектоидной стали составляет 0,8% С при полностью перлитной структуре. В заэвтектоидных сталях наряду с перлитной составляющей образуются цементитные включения, а содержание углерода может изменяться от 0,8 до 2,14%.

Наиболее распространена классификация углеродистых сталей по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, В соответствии с этим признаком стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (табл. 1) маркируются буквами Ст, что означает сталь. После Ст следует условный номер марки от 0 до 6, который отображает химический состав стали. Степень раскисления стали указывается буквами кп, пс, сп, которые означают, соответственно, кипящую (раскисленную марганцем), полуспокойную (раскисленную марганцем и кремнием), спокойную (раскисленную марганцем, кремнием и алюминием). Массовая доля серы в сталях всех марок £ 0,050%, фосфора – £ 0,040%, в Ст0 серы – £0,060%, фосфора – £ 0,070%.

Достаточно часто встречается еще маркировка прошлых лет, в соответствии с которой все стали обыкновенного качества подразделяются на три группы.

Группа А – маркируются Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.

Группа Б – маркируются буквами М, К, Б (что указывает на способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский), а затем Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6.

Группа В – маркируются ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Они не поддаются горячей обработке. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность стали.

Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом и у потребителя могут подвергаться горячей обработке (например, ковке и термической обработке).

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (применяются для сварных конструкций).

Таблица 1 — Химический состав углеродистых сталей обыкновенного

Стали всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливают кипящими, полуспокойными, спокойными, а стали с номерами 5 и 6 – полуспокойными и спокойными.

Углеродистые качественные стали отличаются от сталей обыкновенного качества меньшим содержанием серы (не более 0,04%) и фосфора (не более 0,035%), а также меньшим количеством неметаллических включений. Химический состав этих сталей ограничивается более узким диапазоном. Качественные углеродистые стали маркируются словом сталь и последующим двузначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, например, 08, 10, 15 и т.д. (табл. 2).

Таблица 2 — Состав и механические свойства качественных углеродистых сталей

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисления буквами кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисления не указывается. К качественным углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7 — 1,0%). Такие стали имеют в конце марки букву Г.

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с более низким содержанием серы (до 0,025%) и фосфора (до 0,025%). При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А.

Качественные углеродистые стали подразделяются на низко-, средне- и высокоуглеродистые в зависимости от содержания углерода. К низкоуглеродистым сталям высокой пластичности и малой прочности относятся стали 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г. 25Г, которые используются для изготовления малонагруженных деталей (кулачковых валов, осей, втулок). Термическая обработка (закалка с отпуском, цементация) значительно повышает прочность и вязкость изделий из этих материалов, что позволяет создавать более легкие конструкции и экономить металл. Среднеуглеродистые стали (с содержанием углерода 0,3. 0,55%) в зависимости от требуемых механических свойств используются после нормализации, закалки с высокотемпературным отпуском, закалки ТВЧ и низкотемпературного отпуска. Из этих сталей изготовляют валы, шестерни, шатуны, шпиндели и т.д.

Высокоуглеродистые стали содержат углерода от 0,6 до 0,85% и характеризуются высокими прочностными и упругими свойствами, повышенной износостойкостью. После закалки и отпуска или закалки с нагревом ТВЧ детали из этих сталей могут работать в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают канатную проволоку, а также пружинную проволоку после патентования.

Углеродистые стали, которые содержат 0,7. 1,3%С, используются для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7. У13, где У обозначает углеродистую сталь, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента.

К положительным качествам углеродистых сталей относится их достаточно высокий комплекс механических свойств, который обеспечивается проведением термической обработки. Углеродистые стали имеют хорошие технологические свойства. Они недефицитны и дешевы.

Основным недостатком углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость (до 15 мм).

Чугуны

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, количество которого превышает 2,14%. Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь, однако не менее чем 20% выплавляемого чугуна используют для изготовления литых деталей.

Чугуны отличаются высокими литейными свойствами и являются одними из основных современных литейных материалов. Около 75% всех отливок изготавливают из чугуна. Более низкая по сравнению со сталями температура плавления и завершение кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают более высокие литейные характеристики: жидкотекучесть и заполняемость формы, усадку и меньшую склонность к образованию усадочных трещин.

Из-за низкой пластичности чугуны не подвергаются обработке давлением.

В зависимости от химического состава и условий кристаллизации углерод в чугунах может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В соответствии с этим различают белые чугуны (углерод находится в виде цементита) и серые ( углерод находится в виде графитных включений).

В белых чугунах фазовые превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃C. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические (2,14…4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3…6,67%С).

В доэвтектических чугунах структурными составляющими при комнатной температуре являются перлит, ледебурит и цементит; в эвтектических – ледебурит; в заэвтектических – ледебурит и цементит.

Белые чугуны имеют высокую твердость (450…550НВ и выше), обусловленную наличием в них большого количества цементита. Одновременно с высокой твердостью для белых чугунов характерна высокая хрупкость, что исключает их использование для изготовления деталей машин. Находят применение отливки из белых чугунов, которые служат для получения деталей из ковкого чугуна путем проведения графитизирующего отжига. Также находят применение отливки с поверхностным слоем (12…30 мм) из белого чугуна и сердцевиной из серого чугуна. Наличие «отбеленного» поверхностного слоя обеспечивает высокую изностойкость такой отливки.

Промышленное значение имеют серые чугуны, в которых углерод находится в виде графитных включений, и поэтому важное значение приобретают условия их образования, т. е. процесс графитизации.

Графит содержит 100% углерода, а концентрация углерода в цементите составляет всего 6,67%. Кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются, в то время, как кристаллические структуры аустенита и цементита более подобны по своему строению. Поэтому образование цементита из жидкой фазы и из аустенита должно протекать легче, чем графита, поскольку работа образования зародыша и необходимые для этого диффузионные процессы не столь значительны.

Однако смесь феррит + графит или аустенит + графит обладает меньшой свободной энергией, чем смесь феррит + цементит или аустенит + цементит, следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.

В силу перечисленных обстоятельств при быстром охлаждении и затруднении диффузионных процессов происходит образование цементита, а при медленном охлаждении определяющим является стремление к минимизации свободной энергии, что приводит к образованию графита.

Серые чугуны различаются по форме графитных включений. Графит, который образуется в чугунах в процессе кристаллизации и последующего охлаждения имеет пластинчатую форму, а чугуны с таким графитом называются собственно серыми.

Образование графита вследствие распада цементита имеет место не только при кристаллизации и охлаждении, но и при нагреве белого чугуна до высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образуются графитные включения хлопьевидной формы. Чугун с таким графитом называют ковким чугуном.

Чугун с шаровидной формой графита, которую получают вследствие модификации магнием и церием, называют высокопрочным чугуном.

Чугуны, так же как и стали, являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят Fe, C, Si, Mn, P и S.

Углерод оказывает определяющее значение на качество чугунов, изменяя литейные свойства и количество графитных включений. Чем выше его концентрация, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, поэтому содержание углерода в промышленных чугунах не превышает 3,8%. Нижний предел содержания углерода составляет 2,4% и лимитируется необходимостью обеспечения достаточных литейных свойств.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием, он способствует выделению графита в процессе затвердевания и разложению уже образовавшегося цементита. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3 до 5%.

Марганец затрудняет протекание процессов графитизации и незначительно улучшает механические свойства чугунов. Количество марганца в чугунах может изменяться в пределах 0,5…1%.

Сера по своей отбеливающей способности в 5 — 6 раз превосходит марганец. Кроме этого, сера снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Поэтому сера является вредной примесью и её содержание в чугунах не превышает 0,15%.

Фосфор практически не влияет на графитизацию. Его предельная растворимость в феррите составляет 0,3%. При большем содержании фосфор образует с железом и углеродом тройную фосфидную эвтектику с температурой плавления 950 о С, что увеличивает жидкотекучесть чугунов. Однако эта эвтектика имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому повышенное содержание фосфора в отливках до 0,7% допускается лишь при необходимости обеспечения высокой изностойкости. Для художественного литья используются чугуны с содержанием фосфора до 1%.

Из легирующих элементов степень графитизации увеличивают никель и медь, а хром затрудняет процесс образования графита.

Графитные включения влияют на механические свойства отливок, поскольку могут рассматриваться как пустоты соответствующей формы, возле которых концентрируются напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем острее дефект, поэтому в наибольшей мере разупрочняется металл при наличии графитных включений пластинчатой формы, менее опасной является хлопьевидная форма графита, а наиболее приемлемой – шаровидная форма графита. Наибольшее влияние графитные включения оказывают на сопротивление материалов разрушению при жестких способах нагрузки (ударных и растягивающих) и практически не влияют при действии сжимающих нагрузок. Наименьшую пластичность имеют чугуны с пластинчатым графитом (δ = 0,2. 0,5%), промежуточную (δ = 5. 10%) – с хлопьевидным графитом и наибольшую – с шаровидным графитом (δ £ 15%).

По структуре металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.

Металлическая основа в чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает серый ферритный чугун.

Как конструкционный материал чугуны обладают следующими положительными свойствами. Наличие графита улучшает обработку резанием, поскольку стружка ломается на графитных включениях. По сравнению со сталью чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства, в силу того, что графитные включения сами являются смазкой. Чугун прекрасно гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость благодаря микропустотам, которые заполнены графитом. Детали из чугуна не столь чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям и т. п.) по сравнению со стальными деталями. Чугуны дешевле сталей из-за более простой технологии производства.

Презентация «Применение и маркировка углеродистых сталей «

Как организовать дистанционное обучение во время карантина?

Помогает проект «Инфоурок»

Описание презентации по отдельным слайдам:

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ Преподаватель технических дисциплин Пивоварова Т.В. Уссурийск-2018 КРАЕВОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «УССУРИЙСКИЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ»

План урока 1. Понятие углеродистых сталей и их преимущества. 2. Влияние углерода и примесей на свойства сталей. 3. Классификация углеродистых сталей. 4. Углеродистые стали, их маркировка и применение 4.1. углеродистые стали обыкновенного качества; 4.2. качественные конструкционные стали; 4.3. углеродистые инструментальные стали.

Сталями называют -железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 % На практике, в машиностроении применяют, стали с содержанием углерода до 1,5 %. С повышенным содержанием углерода стали, не применяются, так как они имеют жесткую структуру. Углеродистые стали

1. Преимущества углеродистых сталей Углеродистые стали — это основной конструкционный материал, который используют в различных областях промышленности. Достоинством сталей является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя их состав и вид термической обработки.

Известно более 2000 марок сталей. На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема, 20% -легированные стали. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы, проще в производстве, и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали.

Кремний до 0,8%, повышает механические свойства стали, раскисляет сталь. Марганец до 0,4%, повышает прочность стали, раскисляет её. Сера — вредная примесь, понижает механические свойства стали, коррозионную стойкость, вызывает ликвацию, S не более 0,045%. Фосфор — вредная примесь, понижает механические свойства стали, Р не более 0,045%. С повышением содержания углерода изменяются и технологические свойства стали: свариваемость и обрабатываемость давлением ухудшаются, а закаливаемость и прокаливаемость повышаются. 2. Влияние примесей и углерода на свойства сталей

Механические свойства углеродистых сталей зависят от содержания углерода. С ростом содержания углерода в сталях увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т.е. повышается прочность, твердость и уменьшается пластичность.

Классификация углеродистых сталей I. По структуре (после отжига) 1. Ферритная сталь (технически чистое железо). Содержание углерода менее 0,025 %, Структура: феррит и цементит третичный. При рассмотрении в микроскопе феррит имеет светлые зерна, а цементит третичный — темная сетка вокруг зерен феррита.

2. Доэвтектоидная сталь Содержание углерода от 0,025 до 0,8 %С. Структура: феррит + перлит

Доэвтектоидная сталь Рис. 2. С повышением содержания углерода площадь перлита возрастает а феррита уменьшается, следовательно, прочность и твердость стали возрастает, а пластичность понижается. Рис.1. При рассмотрении в микроскопе зерна феррита будут светлыми, а зерна перлита темными.

3. Эвтектоидная сталь Содержание углерода 0,8%. Структура: перлит

4. Заэвтектоидная сталь Содержание углерода от 0,8 до 2,14%С. Структура: перлит + цементит вторичный, который наблюдается в виде светлой сетки по границам темных зерен перлита.

Заэвтектоидная сталь Структура перлит+ цементит вторичный

Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь; б – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); в – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); г – заэвтектоидная сталь.

Классификация углеродистых сталей II. По качеству 1. Стали обыкновенного качества, содержание вредных примесей серы не более 0,045% и фосфора не более 0,045%. 2. Качественные стали, в которых вредных примесей серы и фосфора не более 0,035% 3. Высококачественные, содержащие серы и фосфора не более 0,025%.

Классификация углеродистых сталей III. По степени раскисления кп — кипящие, раскисленные марганцем. пс – полуспокойные, стали раскисленные марганцем и кремнием. сп — спокойные стали, раскисленные марганцем, кремнием и алюминием.

Классификация углеродистых сталей VI. По содержанию углерода 1. малоуглеродистые: до 0,3 % углерода; 2. среднеуглеродистые: 0,3-0,6 % углерода; 3. высокоуглеродистые: более 0,6 % углерода.

Они наиболее дешевые, содержат повышенное содержание вредных примесей: серы до 0,045% и фосфора до 0,045%. Маркируются буквами Ст – сталь, цифрами 0-6, указывающими порядковый номер стали (с возрастанием номера увеличивается содержание углерода). За буквами указывают способ раскисления: кп- кипящая сталь, пс – полуспокойная сталь, сп – спокойная сталь. 4. Виды углеродистых сталей, их маркировка и применение 4.1. Стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества поставляются по группам А, Б, В Стали группы А поставляются по механическим свойствам. Буква А в марке не указывается, их изготавливают горячекатаным способом. Например: Ст4пс- сталь 4 группы А полуспокойная, Стали группы Б поставляют по химическому составу. БСт3пс. Их подвергают обработке давлением, термической обработке и сварке. Стали группы В поставляют по механическим свойствам и химическому составу – ВСт2кп. Из этих сталей изготавливают различный прокат, сварные конструкции.

Рис.3. Сортамент проката из стали обыкновенного качества : а, б,в,г,д- фасонный, е, ж – простой; з,и,к,л, м — листовой

4.2. Качественные конструкционные стали Эти стали содержат вредных примесей серы и фосфора не более 0,035%. Маркируют их цифрами, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70. Например: цифра 45- указывает содержание углерода 0,45%, сталь углеродистая, качественная конструкционная

По применению качественные конструкционные стали делят на: 1. Малопрочные стали 05, 08, 10 Применяют для изготовления метиза (болты, гайки, шурупы) гвозди).

2. Цементируемые стали 15, 20, 25. Их подвергают цементации, отлично свариваются и обрабатываются давлением,. изготавливают пальцы, зубчатые колеса, валики

3. Улучшаемые стали 30, 35, 40, 45, 50. Подвергаются закалке и высокому отпуску (улучшению), имеют идеальные сочетание прочности и пластичности. Изготавливают коленчатые валы, распределительные валы, шестерни, шатуны.

3. Рессорно-пружинистые стали 55, 60, 65, 70. Подвергают закалке и среднему отпуску, приобретают высокие упругие и релаксационные свойства. Изготавливают рессоры и пружины сечением до13 мм.

4.3. Углеродистые инструментальные стали Содержание углерода от 0,7 до 1,35 %. Маркируют их буквой У- углеродистая и цифрами от 7 до 13 – указывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если в конце марки стоит буква А- то это означает, что сталь высококачественная. У7, У7А — У13, У13А например У13А У- углеродистая сталь С=1,3%, А -высококачественная.

У7, У7А, У8, У8А – изготавливают деревообрабатывающий и ударный инструмент: кернеры зубила, молотки, кувалды, крейцмейсели.

У8, У8А, У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А- изготавливают сверла, метчики, плашки, ножовочные полотна.

У12, У12А, У 13, У13А – граверный и хирургический инструмент У13, У 13А – напильники

Углеродистые инструментальные стали подвергают закалке и низкому отпуску. Их применяют при обработке не очень твердых материалов, при небольших скоростях резания. При нагреве до 2500С кромка инструмента тупится, теплостойкость невысокая. Прокаливаемость до 12,5 мм, поэтому из этих сталей изготавливают инструмент небольшого сечения.

Недостатки углеродистых сталей Углеродистые стали менее технологичны при термической обработке: небольшая прокаливаемость (от 5 до 12,5мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Поэтому крупные детали изготавливают без термической обработки – в горячекатаном или нормализованном состоянии, что требует увеличения металлоемкости конструкций.

Контрольные вопросы 1. Что такое сталь, какие элементы входят в состав углеродистых сталей? 2. Укажите преимущества и недостатки углеродистых сталей? 3. Как влияют углерод и примеси на свойства сталей? 4. Приведите классификацию углеродистых сталей. 5. Приведите марку углеродистой стали обыкновенного качества и дайте ее расшифровку. 6. Приведите марки углеродистой качественной стали и их применение. 7. Укажите марки углеродистых инструментальных сталей и область их применения

Список литературы: 1. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение и технология металлов: учебное пособие/ А.М. Адаскин, В.М. Зуев -М: ФОРУМ, 2013.-336с. 2. Солнцев Ю.П., Валогжанина С.А. Материаловедение: учебник для среднего проф. образования/ Ю.П. Солнцев, С.А. Валогжанина –М : Академия 2017г.-496с.

• Пивоварова Татьяна Васильевна
• Написать
• 762
• 01.02.2019

Номер материала: ДБ-410581

Добавляйте авторские материалы и получите призы от Инфоурок

Еженедельный призовой фонд 100 000 Р

• 01.02.2019
• 187

• 01.02.2019
• 307

• 01.02.2019
• 144

• 01.02.2019
• 387

• 01.02.2019
• 59

• 01.02.2019
• 241

• 01.02.2019
• 80

• 01.02.2019
• 117

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

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.

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:

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:

Содержание углерода делит сталь на 3 категории:

1. заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
2. эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
3. 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:

1. низкоуглеродистая (до 0,29 %);
2. среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
3. высокоуглеродистая (более 0,6 %).

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:

• уголки;
• швеллеры;
• трубы;
• двутавры;
• другие, в том числе заказные, виды профилей.

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.

Химический состав и классификация сталей по назначению

Сталь является металлом, широко используемым в машиностроении, самолетостроении, строительстве и других отраслях производства. Популярность материала обусловлена сочетанием его отличных технологических и физико-механических свойств. К сталям относят железоуглеродистые соединения, химический состав которых предполагает содержание углерода в количестве менее 2,14%, а помимо этого компонента присутствуют вредные и полезные примеси.

Сочетание характерной циклической прочности в статическом состоянии и жесткости достигается путем изменения содержания углерода и легирующих компонентов. Различные качества стали получаются в результате применения в производстве определенных химических и термических технологий.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые сплавы подразделяют по следующим характеристикам:

• количеству содержащегося углерода;
• назначению;
• структуре в состоянии равновесия;
• степени раскисления.

В зависимости от количества углерода материал делят на категории:

• высокоуглеродистые — больше 0,7%;
• среднеуглеродистые — 0,3−0,7%;
• низкоуглеродистые — до 0,3%.

В результате полученного качества стальные сплавы делят на:

• высококачественные;
• обыкновенные;
• качественные.

Из металла в жидком состоянии удаляют кислород для уменьшения хрупкости при горячем формировании, этот процесс называется раскислением. По характеру отвердевания и степени раскисления материал классифицируется как кипящий, полуспокойный и спокойный.

В зависимости от полученной структуры в равновесном состоянии материал делят на:

• эвтектоидные, характеризующиеся структурой из перлита;
• доэвтектоидные, содержащие перлит и феррит;
• заэвтектоидные — со вторичным цементитом и перлитом.

По назначению использования металл подразделяется на группы:

• конструкционные (улучшаемые, высокопрочные, цементируемые, рессорно-пружинные), применяемые в строительстве, приборостроении, машиностроении и самолетостроении;
• инструментальные для штампов горячей (200˚С) и холодной прессовки, измерительного и режущего инструмента).

Конструкционные металлы

Обыкновенные по качеству стали выпускаются в виде балок, прутков, листового материала, швеллеров, труб, уголка и другого проката и делятся на категории А, В, Б. В наименовании присутствуют буквы Ст и цифра, обозначающая номер марки, с увеличением значения числа увеличивается показатель содержания углерода. Для материалов категорий В и Б, но не А, перед Ст ставится искомая буква для указания принадлежности.

Группа раскисления обозначается СП, ПС, КП — спокойные, полуспокойные и кипящие, соответственно. Категория, А используется для производства деталей, получаемых холодной обработкой, Категория Б применяется для элементов, изготавливаемых сваркой, ковкой, по методу термической обработки. Стали В по стоимости дороже предыдущих категорий, используются для производства ответственных конструкций и сварочных элементов.

Из всех трех категорий обыкновенных углеродистых сталей делают металлические конструкции и детали в приборостроении и машиностроении со слабой нагрузкой, в тех случаях, когда работоспособность обусловлена требуемой жесткостью. Металлы в виде арматуры вкладывают в железобетонные конструкции. Из категорий В и Б делают сварные фермы, рамы и металлические узлы, которые затем укрываются цементным раствором.

Среднеуглеродистые группы с большим запасом прочности используют для рельсов, колес железнодорожных вагонов, шкивов, валов и шестеренок механических приспособлений и машин. Некоторые материалы этой группы разрешаются к термической обработке.

Качественные стали углеродистой группы применяют в слабонагруженных деталях, они маркируются цифрами от 05 до 85, обозначающими процентную концентрацию углерода. К углеродистым материалам относятся стали с увеличенным содержанием марганца, которые отличаются повышенной прокаливаемостью. За счет изменения количества углерода, марганца и выбора соответствующего способа термической обработки получают различные технологические и механические качества.

Низкоуглеродистые сплавы отличаются хорошей пластичностью при холодной обработке, но имеют небольшой запас прочности. Их выпускают в виде листов, материал мягкий, легко штампуется, тянется, сюда относят жесть и металл для эмалированных предметов быта. При цементировании сталей в производстве увеличивается показатель поверхностной прочности, что дает возможность изготавливать малонагруженные колеса зубчатой передачи, кулачки и др.

Среднеуглеродистые металлы и аналогичные составы с увеличенным процентом марганца отличаются средними показателями прочности, но пластичность и вязкости при этом снижается. По условиям работы запчастей определяется метод усиления сталей в виде нормализации, низкоотпускной и ТВЧ закалки и др. Из них делают высокопрочную проволоку, рессоры, пружины и повышенными требованиями к износостойкости.

Автоматные виды

Эти материалы маркируются литерой, А и цифрами, указывающими на концентрацию углерода в сотых процента. Легирование свинцом добавляет букву С после А. Введение селена, марганца, теллура позволяет сократить применение режущего инструмента при обработке. На степень обрабатываемости также влияет добавка фосфора, серы и кальция, последний вводится в виде силикальцита в жидкий сплав.

Содержание фосфора и серы снижает показатели качества, сера снижает антикоррозионные свойства, сульфидов ведут к нарушению однородности металла. Их этого класса сталей делают детали сложной формы и поверхности, крепежные элементы, рассчитанные на небольшую нагрузку.

Легированные типы

К ним относят металлы с содержанием легирующих добавок в количестве до 2,5%. Буквенные обозначения марки включают литеры, указывающие на определенные примеси, а цифра после них говорит о процентном содержании элемента. Если его содержание менее 1,5%, то в обозначении добавка не ставится.

Содержание углерода в этой группе сталей нормируется количеством 0,1−0,3%, к основным свойствам после термической, химической обработки и низкого отпуска после закалки относят:

• высокую твердость материала на поверхности;
• уменьшенную прочность средних слоев и повышенную вязкость.

Стали используют для производства деталей машин и приборов, предназначенных для работы с ударными и переменными нагрузками в условиях повышенной изнашиваемости.

Цементируемые материалы

Для повышения показателей твердости, выносливости при контакте, износостойкости, прокаливаемости используют хром, магний, никель, последний элемент повышает вязкость и снижает предел хладноломкости. Цементируемые составы делят на две группы:

• средней прочности с порогом текучести меньше 700 МПа;
• повышенной прочности с аналогичным показателем в пределах 700−1100 МПа.

По содержанию добавок различают виды:

• хромистые составы и хромованадиевые, цементируемые на глубину менее 1,5 мм;
• хромомарганцевые составы включают титана 0,06%, марганца и хрома по 1%, имеют особенность внутренне окисляться при газовой цементации, что ведет к уменьшению прочностных характеристик;
• хромоникельмолибденовые сплавы являются представителями мартенситного класса и отличаются уменьшенным короблением, что обусловлено воздушной закалкой, легированием редкоземельными металлами, повышающими прокаливаемость, статическую прочность и сопротивление ударам.

Пружинно-рессорные сплавы

Детали работают в условиях упругой деформации и подергаются циклическим нагрузкам, поэтому от сталей требуются высокие показатели текучести, пластичности и сопротивления излому. В состав входят:

• марганец — менее 1,2%;
• кремний — менее 2,7%;
• ванадий — до 0,26%;
• хром — до 1,25%;
• никель — менее 1,75%;
• вольфрам — менее 1,2%.

В процессе обработки уменьшаются размеры зерен, увеличивается сопротивление металла. Для транспортного производства особо ценными являются кремнистые сплавы, если технология не позволяет им в производстве обезуглероживаться, то выносливость материала остается на уровне заданных параметров. Введение ванадия, хрома, ванадия, никеля помогает затормозить излишний рост зерен при нагревании и повысить прокаливаемость. Из высокоуглеродистых холоднотянутых проволок, аустенитных нержавеек и высокохромистых мартенситных сталей, также делают пружины и другие упругие элементы.

Инструментальные стали

Для обеспечения надежной работы инструментов сталь должна обладать специальными свойствами, которые проявляются у каждой группы материалов по-разному в зависимости от производства и технологии введения добавок.

Шарикоподшипниковые формы

Сплавы при производстве очищаются от неметаллических примесей, использование технологии вакуумно-дугового или электрошокового переплава уменьшает пористость металла. При производстве подшипников и их узлов применяют хромистые шарикоподшипниковые стали с добавками хрома. Дополнительное легирование осуществляется марганцем и кремнием с целью увеличить показатель прокаливаемости. Чтобы детали можно было изготавливать методом холодной штамповки и резать применяется отжиг металла на твердость.

Закалка деталей (роликов, шарикоподшипников и колец) проводится в масляной ванне при температуре 850−870˚С, их охлаждают с целью обеспечения стабильности до 25˚С перед отпуском. Так как подшипниковые и подобные элементы при эксплуатации испытывают сильные динамические нагрузки, то их делают из металлов с дальнейшей термической обработкой и цементацией.

Износостойкие виды

Сопротивление износу повышается с увеличением показателя поверхностной твердости материала. Для долговременной эксплуатации важны такие качества сплава:

• сопротивление разрушению при абразивном трении;
• долговременная эксплуатация в условиях высокого давления и ударных нагрузок.

Износостойкие металлы применяют при изготовлении гусеничных траков, дробильных плит камнедробильного оборудования, раздавливающих щек. Работа в таких условиях эффективна благодаря свойству сталей набирать прочность и твердость в условиях пластической холодной деформации, достигающей 70%. Добавки фосфора больше 0,027% приводят к увеличению хладноломкости сырья.

Литая сталь имеет структуру аустенита, у которого на границах зерен выделяется излишний марганца карбид, ведущий к уменьшению прочности и вязкости. Чтобы получить аустенитную однофазную структуру заготовки закаливают в водной среде при температуре около 1100˚С.

Сопротивляющиеся коррозии

Эти материалы используют для изготовления элементов приборов, работающих в условиях электрохимической коррозии, их называют нержавеющими. Стойкость к коррозии развивается после введения добавок, ведущих к образованию поверхностных пленок с хорошей адгезией к металлу. Эти слои уменьшают непосредственное взаимодействие сталей с внешними раздражающими факторами и повышают потенциал в электрохимической среде.

Нержавеющие металлы делят на хромоникелевые и хромистые. Хромистые составы используют для пластичных деталей, которые изготавливают штамповкой и методом сварки. Этот вид подразделяют на ферритные, мартенситно-ферритные и мартенситные сплавы. Для повышения сопротивления ударам их закаливают в масле при температуре около 1000˚С в условиях высокого отпуска с показателями температуры в пределах 600−800˚С.

Жаропрочные сплавы

Применяют для изготовления элементов, работающих при температуре выше 500˚С, составы низколегированные, содержащие до 0,25% С и других легирующих добавок: хрома, вольфрама, никеля. Закалка и нормализация осуществляется в масле при температуре около 890−1050˚С. Из перлитных сталей делают детали, подвергающиеся в работе режиму ползучести при малых нагрузках, например, паронагревательные трубы, арматура котлов с паром, крепежные детали.

Классификация и маркировка конструкционных сталей

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств специально (легирующие элементы).

Стали, классифицируют по самым различным признакам:

В зависимости от химического состава различают стали:

• углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75)
• легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79)

Под углеродистой сталью понимают железоуглеродистый сплав, содержащий 0,01-2,14% углерода и обычное количество постоянных примесей кремния, марганца, серы и фосфора, зависящее от способа выплавки стали.

Углеродистые подразделяют на:

• малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;
• среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%;
• высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%

Легированной называют сталь, в состав которой специально вводят определенное количество легирующих элементов (металлов и неметаллов): хром, никель, вольфрам и другие для улучшения качества стали и придания ей заданных физико-механических свойств (износо- и коррозионной стойкости, твердости, жаропрочности, жаростойкости ,магнитных свойств и т.п.).

Легированные стали подразделяют на:

• низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%
• среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;
• высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

По назначению стали бывают:

• 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;
• c особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар;
• c особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на:

• Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.
• Качественные — до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.
• Высококачественные — до 0,025% серы и фосфора.
• Особовысококачественные — до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:

• спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами «сп» в конце марки (иногда буквы опускаются);
• кипящие стали — слабо раскисленные; маркируются буквами «кп»;
• полу спокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами «пс».

Стали обыкновенного качества

Качественные стали

• в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации;
  • в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода; 05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С; 60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С;
  • в десятых долях процента для инструментальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой «У»: У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены); У12 — углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С;
• легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами:
  А – азот
  К – кобальт
  Т – титан
  Б – ниобий
  М – молибден
  Ф- ванадий
  В – вольфрам
  Н – никель
  Х – хром
  Г – марганец
  П – фосфор
  Ц – цирконий
  Д – медь
  Р – бор
  Ю – алюминий
  Е – селен
  С – кремний
  Ч – редкоземельные металлы

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в сталях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).

Примеры:
14Г2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 0,14% углерода и до 2,0% марганца.
03Х16Н15М3Б — высоколегированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до З,0% Мо, до 1,0% Nb.