Сколько углерода содержится в стали. 2. Чем отличаются углеродистые стали от легированных? 3. Где применяют инструментальную углеродистую сталь? Как она обозначается? 4. Где используют легированные ко

Виды и марки стали

Сталь – это сплав железа и углерода с другими элементами, содержание углерода в нём не более 2,14%.

Наиболее общая характеристика – по химическому составу сталь различают:

• углеродистую сталь (Fe – железо, C – углерод, Mn – марганец, Si — кремний, S – сера, P – фосфор). По содержанию углерода делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Углеродистая сталь предназначена для статически нагруженного инструмента.
• легированную сталь – добавляются легирующие элементы: азот, бор, алюминий, углерод, фосфор, кобальт, кремний, ванадий, медь, молибден, марганец, титан, цирконий, хром, вольфрам, никель, ниобий.

По способу производства и содержанию примесей сталь различается:

• сталь обыкновенного качества ( углерода менее 0,6%) – соответствует ГОСТ 14637, ГОСТ 380-94. Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6. Буквы «Ст» обозначают сталь обыкновенного качества, цифры указывают на номер маркировки в зависимости от механических свойств. Является наиболее дешёвой сталью, но уступает по другим качествам.
• качественная сталь ( углеродистая или легированная ) – ГОСТ 1577, содержание углерода обозначается в сотых долях % – 08, 10, 25, 40, дополнительно может указываться степень раскисления и характер затвердевания. Качественная углеродистая сталь обладает высокой пластичностью и повышенной свариваемостью.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали характеризуются невысокой прочностью и высокой пластичностью. Из листового проката стали 08, 10, 08кп изготавливают детали для холодной штамповки. Из сталей 15, 20 делают болты, винты, гайки, оси, крюки,шпильки и другие детали неответственного назначения.

Среднеуглеродистые качественные стали (ст 30, 35, 40, 45, 50, 55) используют после нормализации и поверхностной закалки для изготовления таких деталей, которые обладают высокой прочностью и вязкостью сердцевины (оси, винты, втулки и т. д.)

Стали 60 — стали 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругими свойствами. Из них изготавливают крановые колёса, прокатные валки, клапаны компрессоров, пружины, рессоры и т.д.

• высококачественная — сложный химический состав с пониженным содержанием фосфора и серы — по ГОСТу 19281.

Также сталь делится по применению:

• строительная сталь — углеродистая обыкновенного качества. Обладает отличной свариваемостью. Цифра обозначает условный номер состава стали по ГОСТу. Чем больше условный номер, тем больше содержание углерода, тем выше прочность стали и ниже пластичность.
• конструкционная сталь — ГОСТ 1050

Углеродистые качественные конструкционные стали используются в машиностроении, для сварных, болтовых конструкций, для кровельных работ, для изготовления рельсов, железнодорожных колёс, валов, шестерен и других деталей грузоподъёмников.Ц ифры в маркировке означают содержание углерода в десятых долях процента.

Конструкционные легированные стали используют для гусениц тракторов, изготовления пружин, рессор, осей, валов, автомобильных деталей, деталей турбин и др.

• инструментальная сталь — применяется для режущего инструмента, быстрорежущая сталь для холодного и горячего деформирования материла, для измерительных инструментов, на производство молотков, долот, стамесок, резцов, свёрлов, напильников, бритв, рашпилей.
• легированная сталь — универсальная сталь, содержащая специальную примесь. Содержание кремния более 0,5%, марганца более 1%. ГОСТ 19281-89. Если содержание легирующего элемента превышает 1 – 1,5%, то оно указывается цифрой после соответствующей буквы.

1. низколегированная сталь — где легирующих элементов до 2,5% (09Г2С, 10ХСНД, 18ХГТ). Низколегированную сталь можно использовать в условиях крайнего севера, от -70 град С. Низколегированную сталь отличает большая прочность за счёт более высокого предела текучести,что важно для ответственных конструкций.
2. среднелегированная (2,5 -10%),
3. высоколегированная (от 10 до 50%)

• сталь особого назначения — сталь с особыми физическими свойствами. Она применяется в электротехничсеской промышленности и точном судостроении.

На свариваемость стали влияет степень её раскисления. По степени раскисления сталь классифицируется:

1. спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,
2. полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,
3. кипящая сталь (08кп) — неокисленная сталь с высоким содержанием неметаллических примесей.

В зависимости от нормируемых характеристик, сталь подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5. Категории обозначают химический состав, механические свойства при растяжении, ударную вязкость).

Что собой представляют углеродистые стали?

Углеродистые стали, которые в зависимости от основной сферы применения подразделяются на конструкционные и инструментальные, практически не содержат в своем составе легирующих добавок. От обычных стальных сплавов эти стали также отличает и то, что в их составе содержится значительно меньшее количество таких базовых примесей, как марганец, магний и кремний.

Содержание основного элемента – углерода – в сталях данной категории может варьироваться в достаточно широких пределах. Так, высокоуглеродистая сталь содержит в своем составе 0,6–2% углерода, среднеуглеродистые стали – 0,3–0,6%, низкоуглеродистые – до 0,25%. Данный элемент определяет не только свойства углеродистых сталей, но и их структуру. Так, внутренняя структура стальных сплавов, содержащих в своем составе менее 0,8% углерода, состоит преимущественно из феррита и перлита, при увеличении концентрации углерода начинает формироваться вторичный цементит.

Углеродистые стали с преобладающей ферритной структурой отличаются высокой пластичностью и низкой прочностью. Если же в структуре стали преобладает цементит, то она характеризуется высокой прочностью, но вместе с этим является и очень хрупкой. При увеличении количества углерода до 0,8–1% прочностные характеристики и твердость углеродистой стали возрастают, но значительно ухудшаются ее пластичность и вязкость.

Количественное содержание углерода также оказывает серьезное влияние на технологические характеристики металла, в частности на его свариваемость, легкость обработки давлением и резанием. Из сталей, относящихся к категории низкоуглеродистых, изготавливают детали и конструкции, которые не будут подвергаться значительным нагрузкам в процессе эксплуатации. Характеристики, которыми обладают среднеуглеродистые стали, делают их основным конструкционным материалом, используемым в производстве конструкций и деталей для нужд общего и транспортного машиностроения. Высокоуглеродистые стальные сплавы благодаря своим характеристикам оптимально подходят для изготовления деталей, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости, для производства ударно-штампового и измерительного инструмента.

Углеродистая сталь, как и стальной сплав любой другой категории, содержит в своем составе различные примеси: кремний, марганец, фосфор, серу, азот, кислород и водород. Часть этих примесей, такие как марганец и кремний, являются полезными, их вводят в состав стали на стадии ее выплавки для того, чтобы обеспечить ее раскисление. Сера и фосфор – это вредные примеси, которые ухудшают качественные характеристики стального сплава.

Хотя считается, что углеродистые и легированные стали несовместимы, для улучшения их физико-механических и технологических характеристик может выполняться микролегирование. Для этого в углеродистую сталь вводятся различные добавки: бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы. Конечно, при помощи таких добавок не получится сделать из углеродистой стали нержавейку, но заметно улучшить свойства металла они вполне могут.

Влияние примесей.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы.

1.Постоянные примеси

: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %.

Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа
FeS
, так как образует с серой соединение сульфид марганца
MnS
. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направленияпрокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %.

Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали квытяжке

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %.

Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.

Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 %

повышает порог хладоломкости на
20…25oС.

Виды углеродистых сталей по содержанию углерода

Углерод – основной элемент углеродистой стали, и его содержание в сплаве может варьироваться в достаточно широких пределах: от 0,25% до 2%.

Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%

Большая часть низкоуглеродистой стали выпускается в виде холоднокатаных и отожжённых полос и листов. Её свойства варьируются в зависимости от содержания основных химических элементов:

• C до 0,1%, Mn менее 0,4%. Материал обладает высокой способностью к горячей деформации и холодному волочению. Используется при производстве проволоки, очень тонких листов, тары и корпусов автомобилей.
• C от 0,1% до 0,25%. Такой материал более прочен и твёрд, чем описанный выше, а его способность к деформации ниже. Часто применяется для производства деталей с цементируемым поверхностным слоем.
• C около 0,25%, Mn и Al до 1,5%. Материал с высокой вязкостью. Подходит для металлов, предназначенных для ковки, штамповки, производства бесшовного трубного проката и листа для котлов.
• C около 0,15%, Mn менее 1,2%, Pb до 0,3% (или без него), минимальное количество Si. Применяется в массовом производстве на автоматических линиях деталей, которые не предназначены для восприятия серьёзных механических и температурных нагрузок.

Среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,2% до 0,6%

Обычно в среднеуглеродистых видах стали содержание марганца находится на уровне 0,6-1,65%. Они подходят для производства продукции, которая будет эксплуатироваться при высоких нагрузках. Могут подвергаться ковке. Подходят для машиностроения.

Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,6% до 2%

С повышением количества углерода до 1% высокоуглеродистая сталь становится более прочной и твёрдой, одновременно снижаются пределы её текучести и пластичности. Дальнейшее увеличение углерода более 1% приводит к началу формирования грубой сетки из вторичного мартенсита, что снижает прочность материала.

Высокоуглеродистая сталь отличается высокой себестоимостью, низкой пластичностью и плохой свариваемостью. Такой материал имеет ограниченную область применения – его применяют для производства режущего инструмента, высокопрочной проволоки.

Назначение легирующих элементов

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%.

Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей – (0…-100) o С.

Дополнительные легирующие элементы.

Бор – 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладоломкости (+20…-60
oС
.)

Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)
oС.
0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена (0,15…0,46%)

в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снихает порог хладоломкости до
–20…-120oС
. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий в количестве (0.1…0.3)%

в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.

Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль(20ХГС, 30ХГСА)

. Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием. Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Виды углеродистой стали по степени раскисления

Степень раскисления – это ещё один фактор, влияющий на разделение углеродистых сталей по типам. Всего их 3 типа: спокойные, полуспокойные и кипящие.

Спокойные стали отличаются более однородной внутренней структурой – их расклисление осуществляется добавлением в расплавленный металл ферросилиция, ферромарганца и алюминия. В составе практически нет закиси железа. Структура мелкозернистая за счёт остаточного алюминия. В итоге получается качественный металл, подходящий для изготовления наиболее ответственных деталей и конструкций. Однако у сплавов этого типа есть существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Кипящие углеродистые стали – более дешёвая, но и менее качественная альтернатива спокойным сплавам. При их выплавке используется минимальное количество специальных добавок, а процесс раскисления в печи не доводится до конца, в результате чего в структуре кипящей углеродистой стали присутствуют растворённые газы, негативно влияющие на её характеристики.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение и по свойствам, и по степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав добавляется небольшое количество раскислителей – благодаря этому металл затвердевает практически без кипения, при этом в нём продолжается процесс выделения газов. В итоге, в структуре полуспокойной углеродистой стали меньше газовых пузырей, чем в кипящей стали. Чаще всего полуспокойные углеродистые стали применяют в качестве конструкционных материалов.

Распределение легирующих элементов в стали

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.

Растворение легирующих элементов в происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d

– электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d

– электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59

образуются фазы внедрения:
Mo2C,WC,VC,TiC,TaC,W2C
– которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

Виды углеродистой стали по виду и качеству

Углеродистая сталь производится по различным технологиям, что ведёт к их разделению по качественным характеристикам. Различают два вида стали:

• конструкционная;
• инструментальная.

Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,65-0,70% углерода (в виде исключения также выпускается конструкционная сталь с содержанием 0,85% углерода). Она достаточно прочная, хорошо сопротивляется удару, а также хорошо обрабатывается.

Конструкционные углеродистые стали широко применяются в промышленности: их применяются для изготовления элементов конструкций машиностроительного и строительного назначения, детали для оборудования, крепёжные детали и многое другое.

Её также делят по качеству на 3 вида:

1. Обыкновенного качества – сталь широкого применения, которая подходит для производства крепёжных деталей, труб, строительных конструкций, листового проката и т.д.
2. Повышенного качества – применяется для изготовления котлов, паровозных и вагонных осей, проволоки и т.д.
3. Качественная – подходит для деталей, требующих высокой пластичности и сопротивления удару, применяемых при повышенном давлении, например, труб, болтов, винтов, зубчатых колёс и т.д.

Инструментальная углеродистая сталь отличается содержание углерода от 0,7% и выше. Такой тип стали твёрдый и прочный, что делает его подходящим для производства инструмента. Подразделяется на качественную (сера 0,03%, фосфор 0,035%) и высококачественную (сера 0,02%, фосфор 0,03%).

Применение углеродистой стали

Благодаря высокой прочности, хорошей обрабатываемости, долговечности и сравнительной дешевизне углеродистые стали нашли свое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Особенно они популярны в машиностроении, что связано со способностью металла сопротивляться активным нагрузкам, а также с высокими пределами усталости. Так, углеродистая сталь выступает в качестве основного материала для производства:

• маховиков;
• зубчатых передач редукторов;
• корпусов шатунов;
• коленчатых валов;
• поршней плунжерных насосов.

Из углеродистых сплавов производят технологическую оснастку для легкой, деревообрабатывающей промышленности. Во всех этих случаях используют конструкционные углеродистые стали. После цементации этот тип металла используется в создании износоустойчивых деталей, эксплуатация которых будет сопровождаться значительными динамическими нагрузками.

На основе низко и среднеуглеродистой стали осуществляют выпуск:

• уголков;
• швеллеров;
• труб;
• двутавров и других профилей

Начальные свойства конструкционных углеродистых сталей подлежат повышению путем проведения термообработки (закалки).

Выпуск инструментов различного назначения базируется на применении инструментальных стальных сплавов, которые содержат 0,65–1,32% углерода:

• молотки, керны, отвертки, зубила, кузнечный инструмент, косы (марка инструментальной углеродистой стали У7 и У7А);
• ножницы, ножи рубильных машин, ручной столярный инструмент, рамные пилы (марка У8, У8А);
• сверла, фрезы малого диаметра, ленточные пилы, развертки (марка У10, У10А);
• токарные резцы по дереву, ножовочные полотна по металлу, напильники, граверный инструмент (марка У12, У13).

Инструментальные углеродистые стали применяют для производства измерительных приборов. Чтобы получить небольшую деталь с точностью линейных размеров в несколько сот миллиметров, нельзя допускать нагрева или деформации заготовки в результате оказываемого давления режущим инструментом.

Востребовано использование углеродистых сталей обыкновенного качества в строительстве, некоторые марки применяются в машино-, судостроении.