Стали углеродистые. Марки, свойства и их применение

Разновидность низкоуглеродистых сталей

В составе низкоуглеродистых сплавов присутствуют примеси различного характера. Повышенное содержание серы и фосфора напрямую влияют на свойства металла, может привести к растрескиванию при обработке. Марганец, кремний не снижают характеристик, участвуют в процессе раскисления, удаления кислорода. Кислород удаляют для повышения прочности материала при горячих деформациях.

По степени удаления кислорода, раскисленности, стали классифицируют на:

• кипящие;
• спокойные;
• полуспокойные.

Низколегированные стали представляют собой сплав с малым содержанием углерода и малыми примесями легирующих добавок, общим соотношением до 4%. Легирующие элементы нужны для повышения каких-либо эксплуатационных свойств при сохранении хороших сварочных характеристик. Повышенная устойчивость металла к коррозии, способность работать при экстремально низких и высоких температурах без деформации достигается легированием.

Качество низкоуглеродистой стали определяют по содержанию примесей серы, фосфора в сплаве.

По виду свойств различают:

• Обычное качество. Сера в составе — до 0,06%, фосфор — до 0,07%.
• Качественная сталь. Массовая доля серы — до 0,04%, фосфора — до 0,035%.
• Высококачественная сталь. Содержание серы — до 0,025%, фосфора — до 0,025%.
• Особое качество. Минимальное присутствие примесей: допустимые значения серы — до 0,015%, фосфора — до 0,025%.

Классификация по степени раскисления

На разделение углеродистых сталей на различные типы оказывает влияние в том числе такой параметр, как степень раскисления. В зависимости от данного параметра углеродистые стальные сплавы делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Более однородной внутренней структурой отличаются спокойные стали, раскисление которых осуществляют, добавляя в расплавленный металл ферросилиций, ферромарганец и алюминий. За счет того, что сплавы данной категории были полностью раскислены в печи, в их составе не содержится закиси железа. Остаточный алюминий, который препятствует росту зерна, наделяет такие стали мелкозернистой структурой. Сочетание мелкозернистой структуры и практически полное отсутствие растворенных газов позволяет формировать качественный металл, из которого можно изготавливать наиболее ответственные детали и конструкции. Наряду со всеми своими достоинствами углеродистые стальные сплавы спокойной категории имеют и один существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

Более дешевыми, но и менее качественными являются кипящие углеродистые сплавы, при выплавке которых используется минимальное количество специальных добавок. Во внутренней структуре такой стали из-за того, что процесс ее раскисления в печи не был доведен до конца, присутствуют растворенные газы, которые негативно отражаются на характеристиках металла. Так, азот, содержащийся в составе таких сталей, плохо влияет на их свариваемость, провоцируя образование трещин в области сварного шва. Развитая ликвация в структуре этих стальных сплавов приводит к тому, что металлический прокат, который из них изготовлен, имеет неоднородность как по своей структуре, так и по механическим характеристикам.

Промежуточное положение и по своим свойствам, и по степени раскисления занимают полуспокойные стали. Перед заливкой в изложницы в их состав вводят небольшое количество раскислитилей, благодаря чему металл затвердевает практически без кипения, но процесс выделения газов в нем продолжается. В итоге формируется отливка, в структуре которой содержится меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Такие внутренние поры в процессе последующей прокатки металла практически полностью завариваются. Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется в качестве конструкционных материалов.

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к углеродистой стали можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

Скачать ГОСТ 380-2005 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки

Классификация стали обычного качества

Свойства сталей обыкновенного качества
Внутри группы по качеству низкоуглеродистая сталь обычного качества подразделяется ещё на три категории, обозначающиеся заглавными буквами А, Б, В.

Низкоуглеродистая сталь обычного качества группы «А» содержит сплавы, отличающиеся механическими свойствами, в промышленности встречается в форме листового, профильного низкоуглеродистого проката.

Группа «Б» классифицируется по химическим качествам, обрабатывается давлением под высоким нагревом, заготовки штампуются, куются.

Низкоуглеродистые стали группы «В» определяются физическими свойствами, химическим составом.

В каких сферах используют углеродистую сталь

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.

Основные способы получения низкоуглеродистых сплавов

Все сплавы при получении проходят одинаковые технологические стадии, дополнительную обработку. Плавильная печь загружается сырьём, шихтой, нагревается до расплавления, удаляются лишние примеси. Дополнительная обработка зависит от конкретного заданного состава продукта, нужных химических, физических свойств.

По технологии производства, оборудованию сплавы получают:

• кислородно-конверторным способом выплавки;
• мартеновским способом получения;
• электротермическим способом производства.

Кислородно-конверторный метод

Этот способ производства низкоуглеродистого сплава назван по двум составляющим технологии. Кислород, содержащийся в воздухе, окисляет избыток углерода и примесей в конверторной печи. Конверторная печь имеет объём 50–60 т. Расплавленное сырьё, шихта, продувается нагретым кислородом под давлением. Стены конвектора имеют грушевидную форму, выполнены из металла с дополнительной футеровкой. Материал футеровки химически участвует в процессе выплавки, вступая в реакцию с расплавленным сырьём.

Мартеновский метод

Мартеновские печи отличаются большим размером плавильных ванн, производительностью до 500 тонн продукции. Выжигание углерода, примесей также идёт кислородом, но кислород получают не только из воздуха. Дополнительно шихту обогащают железной рудой, ломом, покрытым ржавчиной.
Оксиды железа, участвуя в процессе, выделяют кислород. Камеры-регенераторы осуществляют предварительный нагрев горючего газа и воздуха, попеременно выпускают содержимое через плавильную ванну. Процесс происходит в течение 6–7 часов, по завершении нагрев прекращается, добавляются раскислители.

Электротермический метод

Этот способ позволяет получить точно заданные физические и химические свойства, применяется только для получения высококачественных сплавов. Большой расход энергии при термической обработке, до 800 кВт на 1 тонну стали, должен быть экономически оправдан. Температура печи доходит до 1650 градусов, ёмкость ванн 0,5–180 тонн.

При высокой температуре сера и фосфор удаляются практически без остатка, переплавляется тугоплавкое сырьё. Химические реакции при производстве аналогичны мартеновскому способу.

Методы производства и разделение по качеству

Для производства углеродистых сталей используются различные технологии, что сказывается на их разделении не только по способу производства, но и по качественным характеристикам. Так, различают:

• высококачественные стальные сплавы;
• качественные углеродистые стали;
• углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.

Классификация углеродистых сталей

Стальные сплавы, обладающие обыкновенным качеством, выплавляются в мартеновских печах, после чего из них формируют слитки больших размеров. К плавильному оборудованию, которое используется для получения таких сталей, относятся также кислородные конвертеры. По сравнению с качественными стальными сплавами, рассматриваемые стали могут иметь большее содержание вредных примесей, что сказывается на стоимости их производства, а также на их характеристиках.

Сформированные и полностью застывшие слитки металла подвергают дальнейшей прокатке, которая может выполняться в горячем или холодном состоянии. Методом горячей прокатки производят фасонные и сортовые изделия, толстолистовой и тонколистовой металл, металлические полосы большой ширины. При помощи прокатки, выполняемой в холодном состоянии, получают тонколистовой металл.

На современных предприятиях для производства высококачественных сплавов используются электрические дуговые печи

Для производства углеродистых сталей качественной и высококачественной категорий могут использоваться как конвертеры и мартеновские печи, так и более современное оборудование – плавильные печи, работающие на электричестве. К химическому составу таких сталей, наличию в их структуре вредных и неметаллических примесей соответствующий ГОСТ предъявляет очень жесткие требования. Например, в сталях, которые относятся к категории высококачественных, должно содержаться не более 0,04% серы и не больше 0,035% фосфора. Качественные и высококачественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу их производства и к характеристикам отличаются повышенной чистотой структуры.

Главные свойства низкоуглеродистых сталей

Для низкоуглеродистой стали характерна невысокая прочность при значительной вязкости и пластичности. Сплав легко обрабатывается горячей деформацией, холодным волочением, хорошо сваривается.

Повышение прочностных характеристик достигается цементацией – насыщением поверхностных слоёв углеродом, после чего поверхностные слои сплава закаляются, приобретая необходимую прочность. Для поверхностной закалки низколегированной стали используются индукционные и электропечи. Внутренние, не обогащённые, слои остаются мягкими, вязкими, не теряют пластичности благодаря не изменившемуся количеству углерода.

Ржавеющие и нержавеющие стали

Железный век начался в IX—VII веках до нашей эры и продолжался до I века нашей эры. Затем в Китае осваивают примитивное производство чугуна — сплава железа с углеродом. В Европе и России производство чугуна начинается лишь в 14-м и 16-м веках соответственно. А производство более-менее качественной высокоуглеродистой стали стало возможно только в последние 200 лет.

Сначала повсеместно использовалась мягкая сталь. До появления высокоуглеродистой стали, клинки оружия специально делались толще, для увеличения прочности, а кромку приходилось часто затачивать. Для тех, кто работал в полевых условиях, точильный камень был обязателен для повседневного ношения. Нельзя было рассчитывать на то, что клинок будет оставаться острым в течение длительного времени.

Высокоуглеродистая сталь была первым типом стали, которая действительно обладала рядом серьезных преимуществ. Это сильно повлияло как на конструкцию инструментов, так и на их использование. Армии, получившие доступ к высокоуглеродистой стали, обладали значительным преимуществом над врагами, которые еще не получили подобную сталь. Углеродистая сталь существенно изменила сталелитейный мир.

Ранним примером высокоуглеродистой стали была знаменитая дамасская сталь. Производство дамаска было серьезным секретом, передаваемым от мастера к ученику. В конце концов секрет истинной дамасской стали был утерян примерно в 1750 году. Об этом мы поговорим в другой раз.

Конечно, с тех пор люди разработали не только дамаск, но и научились использовать другие методы создания высокоуглеродистой стали.

Создание меча из дамасской стали в Сирии

Что такое высокоуглеродистая сталь?

Углеродистая сталь — это сплав железа и углерода. Технически сталь становится высокоуглеродистой, когда содержание углерода превышает 0,55%. Содержание углерода может достигать 3,4%, но это сложнее и дороже в производстве. Поэтому, чаще всего высокоуглеродистая сталь будет содержать от 0,55 до 1% углерода.

Исторически, словосочетание «высокоуглеродистая сталь» использовалось специально для обозначения НЕ нержавеющей стали с высоким содержанием углерода. Однако, современные нержавеющие стали могут иметь такой же процент содержания углерода, что и не нержавеющая сталь. Сегодня в ножевой промышленности почти вся сталь является высокоуглеродистой, за исключением некоторых случаев, например метательных ножей. По сей день многие люди используют термин «высокоуглеродистая сталь» для обозначения не нержавеющей стали, поэтому важно уметь определить термины при обсуждении типов стали.

Высокоуглеродистая НЕ нержавеющая сталь

Нож Mora Pro C
Как мы упомянули выше, высокоуглеродистая сталь содержит железо и не менее 0,55% углерода. Другие металлы могут быть добавлены для улучшения различных свойств. Обратная сторона углеродистой стали в том, что она очень уязвима для ржавчины — поэтому многие клинки из подобной стали имеют специальные покрытия, предотвращающие ржавчину. Если не обеспечивать ножам с такой сталью должного ухода, ржавчина может испортить клинок и полностью разъесть сталь.

История нержавеющей стали

На протяжении 1800-х годов ученые и промышленники из Великобритании, Франции и Германии вносили свой вклад в разработку нержавеющей стали. Наблюдения и эксперименты ради возможного улучшения стали были отмечены еще в 1820 году, учеными Майклом Фарадеем и Пьером Бертье. Они отметили способность сплава хрома с железом сопротивляться кислотной коррозии. Поскольку учёные ещё не знали о роли низкого содержания углерода, они не смогли получить сплав с высоким содержанием хрома.

Одну из наиболее заметных ролей в этом сыграл Гарри Брирли из английского города Шеффилда. Это неудивительно, поскольку в Шеффилде с шестнадцатого века производили столовые приборы. Брирли был назначен ведущим исследователем в лабораториях Брауна Ферта в 1908 году, и где-то между 1910 и 1914 годами он создал сталь с таким количеством хрома, что она могла считаться нержавеющей. Дата варьируется от источника к источнику.

Гарри Брирли

Изначально Брирли назвал этот сплав его Rustless Steel, но его коллега Эрнест Стюарт предложил Stainless Steel, и это название прижилось.

Эта сталь использовалась для изготовления столовых ножей, которые не должны ржаветь. К сожалению, хотя ножи и были устойчивы к ржавчине, они не резали так хорошо, как можно было бы надеяться. И Брирли вскоре заработал репутацию изобретателя «ножа, который не режет». Этот сплав использовался для изготовления столовых ножей 50 лет, прежде чем металлурги научились делать нержавеющую сталь, которая удерживала бы кромку острой достаточно долго.

Только в 60-х годах прошлого века высокоуглеродистую нержавеющую сталь начали использовать при производстве швейцарских армейских ножей. Вскоре за ними последовала американская компания Schrade, а затем и все остальные компании по производству ножей в Соединенных Штатах.

Victorinox 0.8201.26 Pioneer 93 мм

Со временем, познания человечества о химии и химических связях увеличились, изобрели лучшие микроскопы, мы начали лучше понимать сталь. Металлургия значительно улучшилась за последние несколько десятилетий. И теперь стало возможно создание фантастических высокоуглеродистых и при этом нержавеющих сталей, которые отлично держат режущую кромку.

Высокоуглеродистая нержавеющая сталь

Исследования показали, что когда в стали содержится не менее 10% хрома (Cr), это защищает сталь от коррозии. Свободный хром притягивается и соединяется с молекулами кислорода, образуя защитный слой на поверхности стали. Этот слой предотвращает взаимодействие кислорода (O) с железом (Fe) с образованием ржавчины (Fe2O). К счастью, этот слой самовосстанавливается при появлении царапин, порезов или вмятин. Нержавеющая сталь также устойчива к коррозии при взаимодействии со многими кислотами. Более подробно об этом мы писали в отдельной статье.

Выраженная коррозия на клинке ножа

Основные проблемы, с которыми сталкиваются производители при изготовлении высокоуглеродистой нержавеющей стали — это содержание углерода, отпуск и содержание хрома. Содержание углерода упрочняет сталь, поэтому при добавлении слишком большого количества сплав становится хрупким. Если производители используют слишком мало углерода, его недостаточно для упрочнения стали. Содержание хрома также может иметь огромное влияние на конечный продукт. Хром притягивается к углероду, а это означает, что углерод может «украсть» хром из общего сплава. Когда это происходит, клинок становится менее устойчивым к коррозии, чем должен быть. Неправильные закалка и отпуск также могут сделать клинок очень хрупким. Высокоуглеродистая нержавеющая сталь обычно имеет довольно низкую устойчивость к нагреванию и может стать слишком хрупкой для использования.

Высокоуглеродистая нержавеющая сталь — это сплав, содержащий железо, не менее 0,55% углерода и не менее 13% хрома. Это делает, например, сталь D2 технически не нержавеющей сталью, поскольку она обычно содержит от 11% до чуть менее 13% хрома.

Заключение

Бывает так, что люди покупают нож из углеродистой нержавеющей стали, а через две недели приносят его обратно, потому что клинок покрылся пятнами после нарезки фруктов, или нож оставили (конечно ненадолго и случайно) в воде, а он почему-то(!) начал ржаветь.

Для разных работ существуют разные стали. Не стоит после покупки любого ножа из нержавеющей стали обкладывать клинок дольками лимона, потом на ночь оставлять в раковине, а затем искренне удивляться — почему нож ржавый, ведь сталь нержавеющая! Если вы, например, большое количество времени проводите на море, вам следует присмотреться к ножам из стали H1.

Стали с высоким содержанием углерода требуют должного ухода — это факт. Но при этом, клинки с такими сталями гораздо медленнее тупятся и имеют более агрессивный рез. Каждый сам решает для себя, что ему важно.

В нашем разделе посвященном ножам, есть специальный фильтр — материал клинка, где вы можете выбрать нужную вам сталь и даже прочитать её описание, нажав на маленький знак вопроса.

Маркировка низкоуглеродистых сталей и ее значение

Низкоуглеродистая сталь обычного качества маркируется буквенным значением «Ст», которое меняется, согласно качествам:

• Цифровое значение показывает количество углерода в сплаве. При делении значения на 100 получают содержание углерода в процентах.
• Начальные буквенные символы маркировки «Б» или «В» обозначают принадлежность к группе по качеству.
• Отсутствие буквенного обозначения показывает принадлежность к категории «А».
• Сочетание «КП» указывает на кипящий состав по раскисленности.
• Сочетание «ПС» говорит о полуспокойном сплаве, отсутствие обозначения обозначает спокойную сталь.
• Буквенное и цифровое сочетание, вписанное в марку последним, говорит о наличии в составе примесей и их процентном содержании.
• Качественные низкоуглеродистые сплавы буквенным сочетанием «Ст» не маркируются.

Дополнительно встречается классификация по цвету, буквенная маркировка сплавов особого назначения. К примеру, маркировка «СТЗ мост» обозначает сплав, предназначенный для использования при изготовлении мостовых конструкций.

Плюсы и минусы холоднокатаной стали

У холоднокатаной стали много преимуществ. Основным преимуществом этого метода является то, что холоднокатаная сталь примерно на 20% прочнее, чем горячекатаный аналог. Использование тепла для прокатки стали ослабляет металл. Если не применять высокие температуры, сталь сохраняет свою прочность. Таким образом, все, что содержит детали из холоднокатаной стали, имеет тенденцию служить дольше, чем то, что содержит детали его горячекатаного аналога. Еще одно преимущество холоднокатаной стали — это внешний вид. Он выглядит современно и законченно, в отличие от горячекатаного аналога, который часто выглядит рваным. Но все это имеет свою цену.

Единственным недостатком холоднокатаной стали является то, что она стоит дороже горячекатаной.

Сфера применения

Низкоуглеродистые сплавы широко используются различными направлениями промышленности и производства.

По виду профиля классифицируют следующие группы выпускаемой продукции:

• Плоский листовой прокат. Рифлёная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосовая, полосовая продукция.
• Равнополочные, неравнополочные угловые профили.
• Швеллеры.
• Трубы, круглого, квадратного, прямоугольного сечения.
• Тавры, двутавры. Балки двутавровые широкополочные, обыкновенные.
• Профилированный металлический лист различной толщины.

Самый большой сегмент продукции составляет плоский листовой прокат, полосы. Холодной штамповкой получают высокопрочную проволоку, пружины, рессоры для машиностроения. Детали и заготовки легко свариваются, получили большое распространение в строительной отрасли производства, автомобилестроении. Из низкоуглеродистых сплавов изготавливают кузовные детали, оси, топливные баки, рамы сельскохозяйственных машин и многие другие детали, постоянно встречающиеся в повседневной жизни.

Использование холоднокатаной стали

Главный недостаток холодной прокатки — ограниченность форм. Продукция из холоднокатаной стали обычно бывает круглой, квадратной или плоской. Есть и другие формы, но они всего лишь вариации форм, упомянутых ранее. Холодная прокатка также ограничивает размер готовой продукции, в отличие от процесса горячей прокатки.

Типичные продукты, изготавливаемые методом холодной прокатки, включают пруток, пруток, листы и полосы. Холоднокатаный прокат, являясь чрезвычайно пластичным, обычно используется для умеренного вытягивания. Это делает их чрезвычайно полезными для проектов, где важна точность. Холоднокатаная сталь очень пластична. Она используется для металлической техники, а также для металлической мебели. Также она часто используется для производства школьных шкафчиков или гаражей, промышленных зданий и стальных навесов. Внутренние и внешние части автомобилей также изготавливаются из холоднокатаной стали.

Выпускаемые изделия

Можно выделить несколько групп стальной продукции:

• Листовая сталь. Подвиды: толстолистовая (ГОСТ 19903-74), тонколистовая (ГОСТ 19904-74), широкополостная (ГОСТ 8200-70), полосовая (ГОСТ 103-76), рифленая (ГОСТ 8568-78)
• Уголковые профили. Равнополочные (ГОСТ 8509-93), неравнополочные (ГОСТ 8510-86).
• Швеллеры (ГОСТ 8240-93).
• Двутавры.Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239-89), Балки двутавровые широкополочные (ГОСТ 26020—83, СТО АСЧМ 20—93).
• Трубы.
• Профилированный настил.

К этому перечню добавляют вторичные профили, которые образуются за счет сварных работ и механической обработки.

Особенности сварки

Сварка низкоуглеродистых сталей имеет высокие показатели. Тип сварки, электроды и их толщину подбирают на основе следующих технических данных:

• Соединение непременно должно быть прочно скреплено.
• Не должно быть дефектов швов.
• Химический состав шва должен выполняться в соответствии нормативам, указанных в ГОСТе.
• Сварные соединения должны соответствовать условиям эксплуатации (устойчивость к вибрациям, механическому воздействию, температурному режиму).

Могут использоваться различные виды сварки от газовой до сварки в среде углекислого газа плавящимся электродом. При подборе учитывают высокую плавкость низкоуглеродистых и низколегированных сплавов.

Что касается конкретно сферы применения, то низкоуглеродистый прокат используется в строительстве и машиностроении.

Итак, мы выяснили, что собой представляют изделия из низкоуглеродистой и низколегированной стали.

Источник статьи: https://fb.ru/article/266192/nizkouglerodistaya-stal-sostav-i-svoystva

Особенности маркировки

Обычная низкоуглеродистая сталь имеет буквенное обозначение СТ и цифровое. Число следует делить на 100, тогда будет понятно процентное содержание углерода. Например, СТ15 (углерод 0,15%).

Рассмотрим маркировку и расшифруем обозначения:

• Первые буквы или их отсутствие говорит о принадлежности к той или иной группе качества. Это могут быть Б или В. Если нет буквы, значит сплав принадлежит к категории А.
• Ст обозначает слово «сталь».
• Цифровое обозначение – зашифрованное процентное содержание углерода.
• кп, пс – обозначает кипящий или полуспокойный сплав. Отсутствие обозначения говорит о том, что сталь спокойная (сп).
• Буквенное обозначение и цифровое после него раскрывают, какие примеси входят в состав, и их процентное содержание. Например, Г – марганец, Ю – алюминий, Ф – ванадий.