Углеродистая сталь — классификация, маркировка и применение

Сталь имеет широкую сферу применения: от винтов и гвоздей до частей моста. С развитием металлургии было изобретено множество сплавов и марок стали.

Сталь состоит из 2,14% углерода, постоянных примесей и других химических элементов. Хотя, как показывает практика, его концентрация обычно не превышает 1,5%. Доля железа в материале составляет не меньше 45%. Сталь производится путем вторичной переработки белого чугуна различными методами.

Основные преимущества всех типов стали:

• твердость и прочность;
• широкий функционал;
• разнообразие свойств;
• вязкость и упругость;
• легкая механическая обработка;
• высокая износостойкость;
• распространенность сырья;
• экономическая выгода от использования.

Основные недостатки – это отсутствие устойчивости к образованию ржавчины и способность накапливать электричество.

Чугун – наиболее близкий по составу материал. Однако, в сравнении с ним сталь:

• более твердая и прочная;
• имеет более высокую температуру плавления;
• легче подвергается механической обработке;
• имеет более высокую теплопроводность;
• легко подвергается процедуре закалки.

Классификация по химическому составу

Химический состав стали бывает углеродистым и легированным. Первые состоят из железа, постоянных примесей и углерода. В свою очередь, они подразделяются на:

• низкоуглеродистые (до 0,2-0,3% углерода);
• среднеуглеродистые (0,2-0,45%);
• высокоуглеродистые (от 0,45%).

Легированная сталь также содержит металлы и неметаллы. Они придают материалу более высокие механические и физикохимические свойства. Легировать – это значит сплавлять. Этот вид стали по химическому составу подразделяется на:

• низколегированные (до 2,5% присадок);
• среднелегированные (2,5-10%);
• высоколегированные (от 10%).

Машиностроительные типы

Характеристики по общему назначению

Конструкционные сплавы, общего назначения делятся на две основные группы. Первая — среднелегированная и низколегированная. Вторая группа — среднеуглеродистая и малоуглеродистая.

При производстве сплава общего значения подвергается строгой проверке. Происходит контроль продукции и испытания на многие показатели. Особое внимание уделяется пластичности материала, проверяется прочность и надежность, материал проходит испытание на ударную вязкость. В зависимости от классификации металла, сферы его применения могут учитываться и другие не менее важные показатели. Их очень много и их также проверяют по некоторым важным характеристикам и свойствам.

Если рассматривать первую группу среднелегированных низколегированная, то они изготавливаются для машиностроителей. Такие сплавы относят к доэвтектоидным перлитным сталям. Для вязкости в этих марках используют никель и молибден. К таким сталям относят 40ХН2СМА, 40ХГТ, 40ХГР, 30Х3МФ, 45ХН2МФА, 25Х2ГНТРА, ЗОХГСН2А, 08Х15Н5Д2Т

Конструкционные сплавы, которые производятся для машиностроительной отрасли могут подразделяться с учетом метода их упрочнения. Таким образом, такую сортовую сталь можно подразделить на сплав с упрочнением верхнего слоя, без обработки и с упрочнением по всему объему.

Многие конструкционные стали применяются без термообработки. То есть они производятся и отпускаются потребителям в обычных листах металла. Для такой продукции есть одно важное условие – минимальное количество углерода и кремния. Именно небольшое количество кремния и углерода обеспечивают отличную стяжку материалу в холодном виде. То есть конструкционная сталь легко поддается нужной деформации. Среди этих сталей распространены такие марки как Ст3сп5, 08пс, 08Ю, Ст20, Ст30, Ст40 и другие

Если происходит выпуск качественной сортовой стали, то в свою очередь она должна пройти несколько вариантов термообработки: закалку, после которой можно проводить отпуск продукции, стандартную закалку металла с обязательным отпуском (наиболее эффективная сварка готовой продукции), и последний вариант нормализацию.

Классификация по структуре

Структура стали формируется в процессе ее изготовления, во время отливки и обработки под воздействием высоких температур. Химические связи материала определяют ее отношение к какому-либо классу. Это отношение учитывается для применения стали в той или иной области. Рассмотрим эти классы подробнее:

1. Аустенит. Этот класс отличается прочностью и однородностью. Они устойчивы к жару и образованию ржавчины, могут использоваться для работы в опасных условиях или перевозки агрессивных элементов.
2. Феррит. Представители класса ферритов – магнетики, благодаря чему оптимальны для использования в радиотехнике и электронике для изготовления антенн и другого оборудования.
3. Мартенсит. Этот вид стали получают при помощи процедуры легирования и термической обработки. Материал может возвращать форму после механической обработки. Применение представителей мартенсита осложняется дополнительными требованиями к обработке.
4. Перлит. Перлитом называется распад при охлаждении после нагрева. Такое состояние создается искусственным способом для пластической деформации.
5. Цементит. Представители вида физически упругие и твердые.

Способы улучшения прочностных характеристик

Если свойства марок легированных сталей улучшают посредством ввода в их состав специальных добавок, то решение такой задачи по отношению к углеродистым сплавам осуществляется за счет выполнения термообработки. Одним из передовых методов последней является поверхностная плазменная закалка. В результате использования этой технологии в поверхностном слое металла формируется структура, состоящая из мартенсита, твердость которого составляет 9,5 ГПа (на некоторых участках она доходит до 11,5 ГПа).

Само оборудование для плазменной закалки малогабаритно, мобильно и просто в эксплуатации

Поверхностная плазменная закалка также приводит к тому, что в структуре металла формируется метастабильный остаточный аустенит, количество которого возрастает, если в составе стали увеличивается процентное содержание углерода. Данное структурное образование, которое может преобразоваться в мартенсит при выполнении обкатки изделия из углеродистой стали, значительно улучшает такую характеристику металла, как износостойкость.

Одним из эффективных способов, позволяющих значительно улучшить характеристики углеродистой стали, является химико-термическая обработка. Суть данной технологии заключается в том, что стальной сплав, нагретый до определенной температуры, подвергают химическому воздействию, что и позволяет значительно улучшить его характеристики. После такой обработки, которой могут быть подвергнуты углеродистые стали различных марок, повышаются твердость и износостойкость металла, а также улучшается его коррозионная устойчивость по отношению к влажным и кислым средам.

Обработка деталей химико-термическим способом в вакуумной печи значительно увеличивает поверхностную прочность

Классификация по степени раскисления

Раскисление – это процесс, который приводит к снижению содержания кислорода в расплаве. Этот процесс необходим для того, чтобы избежать появления ржавчины на металлопрокате. Степень раскисления предусматривает следующую классификацию:

• спокойные (СП) – имеют однородную структуру, содержат минимальное количество газов и неметаллов; используются для дорогостоящих сплавов и изготовления металлоконструкций;
• полуспокойные (ПС) – их свойства позволяют выпускать несущие элементы сварных и клепаных конструкций; из ПС изготавливают болты и гайки, которые можно использовать при низкой влажности воздуха и высокой температуре;
• кипящие (КП) – хрупкий вид стали; подходит для производства деталей котлов и конструкций, контактирующих со взрывоопасными веществами; главный минус – быстрое появление ржавчины.

В реакции раскисления обычно участвуют следующие добавки: алюминий, марганец, кремний.

Классификация стали по содержанию примесей

Классификация предусматривает три вида. Тем меньше в материале вредных элементов, тем более качественным он считается. Этот параметр определяется методом производства и выявление содержания S и P.

Обыкновенного качества

К этому виду относятся углеродистая сталь. Она производится в печи или на конвертере с применением кислорода. Сталь обыкновенного качества имеет доступную цену, широкую сферу применения, легко обрабатываются, но не отличаются устойчивостью к износу или прочностью.

Качественные

Она может быть как углеродистой, так и легированной. По сравнению с предыдущим типом этот состав произведен в соответствии с более строгими требованиями. Они производятся с соблюдением строгих характеристик плавления. Качественная сталь стоит дороже и применяется для изготовления элементов, предназначенных для высокого уровня нагрузок.

Высококачественные

Такой вид стали производится более современными методами, например, выплавке в электрических печах. Этот способ позволяет добиться минимального содержания включений газов и вредных неметаллических примесей, что обеспечивает высокие механические свойства материала. Сталь высокого качества имеет более высокую стоимость и используется для создания особо прочных конструкций.

Особовысококачественные

Это сплавы с минимально возможным количеством примесей. Они имеют самое высокое качество из представленных и имеют соответствующую цену, приближенную к драгоценностям. Особовысококачественная сталь – это легированная сталь, которая используется в уникальных случаях. Например, для производства деталей космических кораблей.

Что такое конструкционная сталь

К механизмам и конструкциям, используемым на предприятиях обрабатывающей промышленности и строительстве, предъявляются высокие требования по качеству и стойкости. По этой причине металл для их производства должен обладать особыми технологическими свойствами для обеспечения безаварийной эксплуатации в различных условиях окружающей среды. Этим требованиям соответствует группа конструкционных сталей, представители которой наделены заданными параметрами химических, физических и механических свойств.

Состав конструкционных сплавов содержит набор полезных добавок – железо, марганец, медь, кремний и другие элементы, но основным параметром, определяющим все свойства стального проката, является углерод. Увеличение содержания углерода в сплаве повышает прочность металла и порог его хладноломкости, что позволяет стальным конструкциям выдерживать суровые климатические условия, а также высокие промышленные нагрузки.

На начальном этапе классификации семейство конструкционных сплавов разграничивают на две крупные категории:

• сталь углеродистая качественная;
• легированная качественная.

На качество углеродистых сталей влияет содержание в них вредных добавок:

• фосфор (P) наделяет металлопрокат способностью к растрескиванию и поломкам по ходу механической обработки (холодной);
• сера (S) способствует трещинообразованию под действием высокого давления во время горячей обработки (спектр красного каления).

Применение деталей из углеродистого металла с высоким содержанием фосфора и серы оправдано при необходимости повышения степени обрабатываемости изделия методом резания (автоматные виды сталей).

Маркировка

С учетом вредных примесей, маркировка конструкционных сплавов выделяется некоторыми особенностями:

• конгломераты обыкновенного качества, содержащие до 0,05 % вредных добавок, маркируют обозначением «Ст»;
• качественный металл, содержащий максимум 0,035% серно-фосфорных примесей, имеет маркировку «Сталь»;
• высококачественное металлическое сырье, содержащее до 0,025 % примесей, снабжают завершающей буквой «А»;
• особовысококачественные с 0,015 % фосфора и серы маркируют конечной буквой «Ш».

Исходя из сферы применения металлопроката, он бывает строительным (в основном низкоуглеродистый тип) и машиностроительным (средняя и низкоуглеродистая категория). Среднеуглеродистую конструкционную сталь (0,25-0,55 % серы) используют в машиностроении благодаря хорошему сочетанию механических свойств после термической обработки. Металл с низким содержанием углерода применяют для строительных работ по причине хорошей степени свариваемости, низкой склонности к старению.

Классификация стали по назначению

Она является достаточно условной, так как в одной группе могут находиться множество марок, а в другой – всего несколько. Некоторые из них применимы для смежных значений. Для определения классификации стали продукция подвергается различным испытаниям: кислотам, экстремальным нагрузкам, ударным нагрузкам.

Конструкционные

Она относится к классу обыкновенного качества и является одной из самых обширных групп. Они способны выдерживать различные механические нагрузки: удары, изгибы, растяжения. Конструкционный материал устойчив к усталости, а также воздействию негативных факторов внешней среды. Используются для производства конструкций и деталей повышенной прочности.

Строительные

К ним относится углеродистая и низколегированная сталь. Из нее изготавливают сложные конструкции, в которых нагрузка распределяется одинаково на все области. К строительной стали не предъявляются особые требования, кроме податливости к сварке.

Для холодной штамповки

Холодная штамповка значительно меняет форму и размеры металлической заготовки. К этому виду предъявляются следующие требования – высокий уровень пластичности и стойкости на разрыв.

Цементируемые

Назначение цементируемой стали – производство деталей и узлов, которые подвергаются периодическим нагрузкам. Цементация – это процедура, в ходе которой повышается стойкость материала к износу.

Улучшаемые

Назначение улучшаемой стали – специальные виды термической обработки, например, отпуск или закалка. Эти процедуры применяются для повышения прочности и других характеристик.

Высокопрочные

Для создания высокопрочного вида сталей подбирается специальный состав и соотношение легированных элементов, а также программы обработки. В ходе процедуры достигается высокая прочность материала, которая в несколько раз превосходит параметры конструкционной стали. Высокопрочные элементы используются в узлах особой прочности.

Пружинные

Пружинные марки стали могут выдерживать многократные упругие деформации «усталости», присущей металлам. Они широко применяются в производстве автомобилей, транспортной отрасли и других сферах, где есть необходимость в амортизации, возврате элементов в первоначальное положение после выполнения рабочих функций. Углеродистые сплавы могут легироваться кремнием, бором и другими химическими элементами.

Подшипниковые

Назначение подшипниковой стали – эксплуатация оборудования и механизмов, использующих подшипники. В этом случае материал должен иметь высокую прочность, устойчивость к износу и быть выносливым. К минимуму должны быть сведены посторонние вещества и неоднородная текстура. Подшипниковая сталь подвергается специальной термической обработке и уплотнению.

Автоматные

Главные требования к автоматной стали – высокая податливость обработке, образование короткой стружки и пониженной трение между деталью и инструментом. Такой вид применяется для массового изготовления крепежей на автоматизированном производстве. Недостаток автоматной стали – сниженная пластичность.

Износостойкие

Износостойкую сталь получают благодаря добавлению большого количества марганца. Ее назначение – изготовление узлов, которые постоянно подвергаются трению и большим нагрузкам (как динамическим, так статистическим). Например, из износостойкой стали производят гусеницы, горное оборудование и оборудование для рельсов.

Коррозионностойкие нержавеющие

Низкоуглеродистая сталь подвергается процедуре легирования при помощи хрома и марганца. Хром кристаллизуется и формирует тонкий слой поверхности из окислов, которые защищает деталь от воздействия химических сред. Коррозионностойкие нержавеющие стали могут эксплуатироваться при температурном режиме до 60 градусов в слабоагрессивных (например, пар или вода) и в очень агрессивных (щелочах и кислотах).

В свою очередь, коррозионностойкие нержавеющие стали подразделяются на:

1. Коррозионностойкие. Они предназначены для изготовления пружин, клапанов и валов, способных выдерживать температуру до 600 градусов.
2. Жаростойкие. Они могут работать при ограниченных нагрузках и температурном режиме до 1200 градусов Цельсия.
3. Жаропрочные. Сталь легируется при помощи кремния, никеля или других элементов. Она может выдерживать серьезные нагрузки и взаимодействовать с высокими температурами (до 75% от температурного режима плавления).
4. Криогенные. Они могут взаимодействовать с низкими температурами (до -200 градусов), при этом сохраняя вязкость и упругость. Их можно применять для производства комплектующих холодильных установок (научных или промышленных).

Технологии производства

Изготовление углеродистой стали занимается металлургический вид промышленности. Материал получают путем переработки заготовок из чугуна с сокращением содержания серы и фосфора, а также снижение углерода до оптимальной концентрации. Существуют три вида технологий производства сплава:

1. В печах конвертерного типа.

В основе методики был метод Бессемера – продувка жидкого чугуна при помощи воздушных масс. В ходе процедуры углерод окисляется и удаляется из сплава, после этого слитки чугуна становились сталью. В результате в металле оставались фосфор и сера, повышалась прочность, но при этом сталь становилась более пластичной и быстрее старела. Метод перестал использоваться ввиду низкого качества получаемого материала.

Вместо этого, углеродистую сталь стали изготавливать в печах конвертерного типа. Вместо воздуха стали использовать кислород. В результате получается материал, близкий по качеству к сплавам из мартеновских установок.

2. В мартеновских установках.

Применение мартеновских печей подходит для различных марок углеродистой стали. В основе метода лежит выжигание углерода из сплавов чугуна при помощи воздушных масс и за счет добавления руд железа и ржавых металлических изделий. Изготовление происходит внутри установок, к которым подключается прогретый воздух и горючий газ.

В плавильную камеру загружают все необходимое сырье для изготовления углеродистой стали, которое затем нагревается до температуры плавления. Такие камеры могут вмещать до 500 тонн и выдерживать температуры до 1700 градусов. В них происходит выжигание углерода при помощи газовой среды, шлака и расплавленного металла. В результате получается сплав, который вытекает через заднюю стенку установки.

3. В печах, работающих от электричества.

Электродуговые или индукционные печи позволяют изготовить качественную углеродистую сталь практически без примесей, более чистую и жаростойкую. Процесс производства происходит при помощи вакуума, благодаря чему получаются более качественные заготовки.

Данный метод является более дорогим, поэтому используется только при особой необходимости.

Инструментальные стали

Инструментальные стали – это изделия без легирования, которые являются прочными. Для уплотнения некоторых участков используют присадки. К ним предъявляются особые требования, связанные с особенностями использования.

Инструментальные стали также подразделяются на несколько подвидов:

• для режущих инструментов;
• для измерительных инструментов;
• штамповые;
• валковые.

Для режущих инструментов

Стали для режущих инструментов стоят достаточно дорого, поэтому создавать из них изделия сможет не каждый. Обычно некоторые части инструментов делают из конституционной стали, например, пластины или лезвия.

Сталь данного вида, в свою очередь, подразделяется на следующие подвиды:

• углеродистые инструментальные сплавы (обычно содержат 0,5-1,3% углерода, распространены для использования в процессе производства);
• легированные инструментальные (из них можно изготовить фрезы, сверла и протяжки);
• быстрорежущие (могут создавать изделия с теплостойкостью до -660 градусов).

Стали для измерительных инструментов

Сталь для измерительных инструментов должны иметь стабильную форму и размеры в процессе изменения и хранения. Также ее поверхность должна быть идеально гладкой, хорошо обрабатываться и шлифоваться.

Такая сталь бывает углеродистой и легированной при помощи хрома, никеля и других элементов. Для повышения устойчивости к износу и улучшения качества поверхности изделия цементируют и закаливают. Сталь по-прежнему востребована при изготовлении самых современных измерительных инструментов.

Штамповые стали

Штамповая сталь отличается твердостью, устойчивостью к температурным перепадам и прокаливаемостью. Она должна быть износостойкой и иметь постоянную форму. К ним этому виду относятся следующие сплавы:

• штамповки холодным методом (кроме твердости, устойчивости к износу, стабильности габаритов и формы добавляются высокий уровень вязкости и устойчивость к температурным перепадам; они могут работать в условиях ударов и высокого уровня давления; производятся на основе лигатур с хромом и другими элементами);
• штамповки горячим методом (они должны быть повышенной прочности и вязкости при нагревании до 500 градусов и высокой теплопроводности для того, чтобы избежать перегрева; они подвергаются процедуре легирования при помощи хрома, никеля, ванадия и т.д.).

Валковые стали

При помощи валковой стали производятся прокатные станы, матрицы, пуансоны, лезвия для работы с металлическими изделиями. С их помощью также можно изготовить комплектующие для горного и бумагоделательного оборудования.

Основные требования к валковой стали:

• высокий уровень прокаливаемости для прочности изделия (закалку стали проводят медленно, опуская ее в масло для охлаждения);
• высокая устойчивость к износу (она позволяет долго и бесперебойно работать всему прокатному стану, обеспечивает стабильные параметры);
• контактная прочность (она должна быть больше напряжения, которое возникает в ходе процесса, с учетом нагрузки от сопротивления и массы устройства).

Маркировка углеродистых сталей

Маркировка углеродистых сталей не особо отличается от требований к обозначению других сплавов. Расшифровка маркировок, как правило, указывается в специальных таблицах.

Буква «У» указывается в начале и обозначает принадлежность сплавов к инструментальным. О качественной группе, к которой относится сталь, указывают обозначения «А», «Б», и «В», они указываются в конце. Количество углерода для материала повышенного качества обозначается в сотых долях процента, а для двух других групп — в десятых долях.

Углеродистые стали нередко маркируются буквой «Г», она стоит после цифр, указывающих на количество углерода. Буква указывает на повышенной содержание марганца в сплаве. Уровень раскисления обозначается как «сп», «пс» или «кп».