Железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун. Процентное содержание углерода в стали

Определение массовой доли углерода в стали и марки стали по ее структуре

Возможность определения массовой доли углерода в стали по структуре, обусловливается тем обстоятельством, что структурные составляющие медленно охлажденной, т.е. находящейся в равновесном состоянии стали, содержат определенные и постоянные массовые доли углерода. При изменении доли углерода в такой стали в пределах данной структурной группы (доэвтектоидная, заэвтектоидная) изменяется только количественное соотношение структурных составляющих. Из этого вытекает, что определение массовой доли углерода может производиться только по равновесной структуре.

Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей.

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по

где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %; 0,8 – % С в перлите.

Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (3.1), можно по таблицам определить марку этой стали.

Влияние примесей на свойства сталей

В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Мn и Si в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; S и Р в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; Сr и Ni переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, Мп и Si повышают твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость – хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а S – горячеломкость (красноломкость) – хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод.

Каждой марке углеродистой стали соответствуют регламентированные стандартами определенные пределы содержания углерода.

Маркировка углеродистых сталей

По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-94). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 3.1). Если после марки стоят буквы "кп" - это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если "сп" – сталь спокойная, получаемая полным раскисленнем (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если "пс" – сталь полуспокойная промежуточного типа.

Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в

строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения. В судостроении применяются как корпусные, для малоответственных конструкций, деталей машин, механизмов и устройств судов и плавительных средств всех типов.

2. Стали конструкционные углеродистые качественные (ГОСТ 1050-88).

К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента (табл. 3.2).

Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %.

Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.

Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.

Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50), обладающие после термической обработки хорошим комплексом механических свойств, применяются для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес).

Высокоуглеродистые стали (55, 60) обладают более высокий прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы и т.п.

3.Стали углеродистые инструментальные качественные и высококачественные (ГОСТ 1435-90).

Эти стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 3.3). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква "А", это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки, напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12, У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры и тому подобное изготавливают из сталей У7 и У8.

Табл. 3.1. Химический состав углеродистых конструкционных сталей

обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Марка стали	Массовая доля элементов, %

Табл. 3.3. Химический состав углеродистых инструментальных

качественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435-90.

Марки стали	Массовая доля элементов, %

studfiles.net

Железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы - сталь и чугун.

Сталь - это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.

К сталям относятся:

техническое железо,

конструкционная и

инструментальная сталь.

Чугун - сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5-3,5%.

Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:

кремний и марганец в десятых долях процента (0,15- 0,60%)

сера и фосфор в сотых долях процента (0,05-0,03%) каждого элемента.

Сталь

• проволоки,

• таврового и уголкового железа,

  различного фасонного профиля,

  а также для многочисленных деталей в машиностроении: шестерни, оси, валы, шатуны, болты, молотки, кувалды и т.п.

• зубила и др.

Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.

Чугун

Машиностроительный чугунприменяют для производства отливок всевозможных деталей машин.

По составу и строению чугуны делятся на:

Ковкий чугун

Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (Fe3C - цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.

Белый чугун

В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун.

При отжиге цементит разлагается па железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.

Серый чугун

Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния.

Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т.п.).

Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.

www.conatem.ru

2.2. Стали | Материаловед

Для производства различных фасонных отливок в качестве конструкционного исходного материала, обладающего повышенными механическими свойствами, применяют стали конструкционные, инструментальные и с особыми физико–химическими свойствами (легированные).

Отливки из углеродистых, конструкционных сталей, имеющие высокие прочностные свойства, преимущественно получают из следующих марок: сталь 15 Л; 20 Л; 30 Л; 40 Л; 50 Л; 55 Л.

Конструкционные углеродистые стали

Конструкционные углеродистые стали применяют в литейном производстве для изготовления литых деталей, несущих главным образом механические нагрузки (статические, динамические, вибрационные и др.).

Широко применяемые в литейном производстве стали имеют следующий химический состав: 0,15-0,45% С, 0,5-1% Mn, 0,2-0,5% Si. Содержание серы и фосфора должно быть минимальным. Сталь по сравнению с чугуном обладает более высокими механическими свойствами и имеет большую величину усадки (около 2,5 %). Она имеет худшую жидкотекучесть и склонность к образованию внутренних напряжений и трещин. Большинство отливок из углеродистых сталей подвергают термической обработке, которую проводят для улучшения их микроструктуры, механических и эксплуатационных свойств.

Конструкционные углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества, стали качественные и стали высококачественные. Стали обыкновенного качества содержат повышенное количество серы (до 0,05-0,06 %) и фосфора (до 0,04-0,07 %). В качественных сталях максимальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04 %. Кроме того, качественные стали имеют более узкие пределы содержания углерода (0,07-0,08%), в пределах одной марки. В сталях же обыкновенного качества он находится в пределах от 0,09 до 0,11 %. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворимых газов. Поэтому при примерно одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые (низко- и среднеуглеродистые) и легированные, а по структуре - на феррито-перлитного и перлитного классов.

Отливки из низкоуглеродистой стали марок сталь 15 Л…25 Л применяют в электромеханической и машиностроительной промышленности. Их подвергают цементации и закалке. Изготовление фасонных отливок из низкоуглеродистых сталей связано с рядом трудностей: высокой температурой их плавления, пониженной жидкотекучестью и образованием в отливке горячих трещин.

Отливки из среднеуглеродистых сталей марок сталь 30 Л…45 Л применяют преимущественно в машиностроении при изготовлении фасонных деталей сложной формы. Такие отливки подвергают термической обработке, отжигу, нормализации и закалке с последующим отпуском. Среднеуглеродистые стали обладают хорошей жидкотекучестью, меньшей склонностью образования горячих трещин и имеют высокие механические свойства.

Следует отметить, что в связи с высокой температурой плавления и температурой разливки, низкой жидкотекучестью и трудностью заливки форм, стали обыкновенного качества в качестве литейного сплава для изготовления фасонных отливок применяются чрезвычайно редко. Поэтому основным материалом при производстве фасонных стальных отливок являются низко- и среднеуглеродистые стали в зависимости от требуемых механических свойств литых деталей.

Литейные марки качественных углеродистых сталей приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4. Марки углеродистых качественных конструкционных сталей, применяемые для изготовления литых заготовок

Марка стали	Содержание основных элементов, %
	углерода	марганца
15 КП Л	0,12-0,19	0,25-0,50
15 ПС Л	0,12-0,19	0,35-0,65
20 КП Л	0,17-0,24	0,25-0,50
20 ПС Л	0,17-0,24	0,35-0,65
25 Л	0,22-0,30	0,50-0,80
30 Л	0,27-0,35	0,50-0,80
35 Л	0,32-0,40	0,50-0,80
40 Л	0,37-0,45	0,50-0,80
45 Л	0,42-0,50	0,50-0,80
50 Л	0,52-0,60	0,50-0,80
55 ПС Л	0,55-0,63	Не более 0,2
60 Л	0,57-0,65	0,50-0,80

Примечания:

1. В указанных марках содержится не более кремния (Si) – 0,17-0,37%; хрома (Cr) – 0,25%; серы (S) и фосфора (Р) не более 0,04% (каждого).
2. В обозначении марок углеродистых качественных сталей цифры показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буква «Л» означает, что сталь литая, буквы «КП», «ПС» - степень раскисления стали; КП – кипящая; ПС – полуспокойная; маркировка без индекса - спокойная.

Среднеуглеродистые стали применяют в машиностроении предпочтительно для изготовления фасонных отливок сплошной формы. Отливки из сталей подвергают термической обработке: отжигу, нормализации и закалке с последующим отпуском.

Как правило, отливки, изготовленные из литейных сталей, обладают высоким временным сопротивлением (400-600 МПа), относительным удлинением (10-24%), ударной вязкостью и достаточной износостойкостью при ударных нагрузках. Основной элемент, определяющий механические свойства углеродистых литейных сталей – углерод.

Инструментальные углеродистые стали применяются для изготовления литого инструмента (режущий, мерительный, штамповочный и т.п.). Марки инструментальных углеродистых сталей приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5. Стали инструментальные углеродистые

В обозначениях марок углеродистых инструментальных сталей цифры показывают среднее процентное содержание углерода в десятых долях процента. Буквы, стоящие за цифрами, указывают: Г – на повышенное содержание марганца в стали; А – на принадлежность стали к группе высококачественных сталей, в которых содержится наименьшее количество вредных примесей (фосфора и серы соответственно не боле 0,018% и 0,025% каждого).

Легированные стали

Механические свойства легированных литейных сталей определяются количеством легирующих элементов. Легирование значительно повышает механические и эксплуатационные свойства (жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость и т.д.). Например, марганец повышает износостойкость, хром – жаростойкость. Никель – коррозионную стойкость и т.д.

Легированные стали используют в энергомашиностроении, химической и нефтяной промышленности и металлургии и других областях. Из них изготовляют методом литья турбинные лопатки, клапаны гидропрессов, зубья ковшей экскаваторов и другие отливки.

Легирующие элементы обозначают русскими буквами:

Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами. Буквы обозначают присутствие в стали определенного легирующего элемента, цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5%, то цифра легирующего элемента не ставится. Содержание углерода в сталях указывается в начале марки легированной стали. Для конструкционных сталей первые цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, для инструментальных (высокоуглеродистых) – в десятых долях процента. Буква «Л», стоящая в конце марки, указывает на то, что эта сталь литая. Пример записи и расшифровки одной из марок легированных жаропрочных сталей: 18Н12МЗТ Л, где Л – сталь литая, 0,18% углерода, 12% никеля, 3% молибдена, до 1,5% титана.

Наиболее высокими физико-механическим свойствами обладают отливки, изготовленные из высоколегированных сталей.

Стали высоколегированные со специальными свойствами подразделяются на следующие группы:

1) коррозионно-стойкие (нержавеющие), обладающие стойкостью против атмосферной коррозии: 25Х18 Л; 20Х13 Л; 10Х17 Н3С Л и др.;

2) кислотоупорные, обладающие сопротивляемостью агрессивным средам (кислотам): 15Х18 Н9Т Л; 5Х18Н11В Л и др.;

3) окалиностойкие (жаростойкие), обладающие стойкостью против окалинообразования (окисления при высоких температурах): 15Х9ЧС2 Л; 25Х23Н7С Л и др.;

4) жаропрочные, сохраняющие достаточно высокую прочность при высоких температурах: 15Х22 Н15 Л; 30×24Н12С Л; 15Х25Н19С2 Л и др.;

5) износостойкие с высокой сопротивляемостью износу при абразивном и ударном воздействиях в разных условиях: 110Г13Л; 15Х34 Л и др.

Легированные стали обладают плохими литейными свойствами и резко повышают себестоимость изготовления литой детали. Поэтому они рекомендуются к применению в исключительных случаях, когда невозможно применение конструкционных качественных углеродистых сталей.

xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai

Максимальное содержание - углерод - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Максимальное содержание - углерод

Cтраница 4

Наименование марок легированных сталей состоит из обозначения элементов и следующих за ним цифр. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее значение содержания легирующего элемента в процентах, кроме элементов, присутствующих в стали в малых количествах. Цифры перед первым буквенным обозначением указывают среднее или максимальное содержание углерода в стали в сотых долях процента.  

Одним из наиболее эффективных и широко применяемых методов защиты от МКК является легирование стали сильными карбидообразующими элементами, такими, как титан и ниобий. Эти элементы связывают углерод в прочные карбиды, тем самым предотвращая образование карбидов хрома и обеспечивая достаточную концентрацию хрома в твердом растворе. Содержание титана принимают равным Ti 5 (С-002) %, ниобия Nb10 (С-002) %, где 0 02 % - максимальное содержание углерода, при котором сохраняется стойкость стали против МКК. Преимуществом ниобия перед титаном является более высокая устойчивость его карбидов к растворению при повышении температуры закалки и к выгоранию при сварке, однако ниобий придает сталям склонность к горячим трещинам при сварке.  

В марках нержавеющих высоколегированных сталей по ГОСТ 5632 - 72 химические элементы обозначаются следующими буквами: А - азот, В - вольфрам, Д - медь, М - молибден, Р - бор, Т - титан, Ю - алюминий, X - хром, Б - ниобий, Г - - марганец, Е - селен, Н - никель, С - кремний, Ф - ванадий, К - кобальт, Ц - цирконий. Цифры, стоящие в наименовании марки после букв, указывают, так же как и в наименовании марок конструкционных сталей, процентное содержание легирующего элемента в целых единицах. Содержание элемента, присутствующего в стали в малых количествах, цифрами не обозначается. Цифра перед буквенным обозначением указывает на среднее или при отсутствии нижнего предела на максимальное содержание углерода в стали в сотых долях процента.  

После этого в поглотители Реберга вносят (подтоком очищенного кислорода) по 1 50мл 0 02 jV раствора Ва (ОН) 2 и пропускают воздух еще в течение 15 мин и под током воздуха оттитровывают раствор барита 0 01 N раствором соляной кислоты. Отсутствие разницы между расходом этой кислоты в данном титровании и отдельно установленным соотношением между баритом и соляной кислотой указывает на чистоту установки; в противном случае необходимо продолжать очистку прибора. После окончания такой очистки под током кислорода при скорости 5 мл / мин в сухие поглотители Реберга вносят по 2 00 - 2 50 мл 0 02 N. Оптимальный объем воды для анализа определяется содержанием в ней суммарного углерода: исходя из ниже приведенного соотношения между 1 мл 0 01 N раствора НС1 и углеродом, крайние пределы содержания суммарного углерода в пробе воды составляют от 10 до 200 мкг С. При правильном проведении анализа даже при максимальном содержании углерода титр барита в третьем поглотителе изменяется мало.  

С помощью рис. 25.6 посмотрим, что происходит при охлаждении расплавов различного состава ниже эвтектической температуры 1130 С. Сплав, состав которого определяется на диаграмме точкой 1, при охлаждении затвердевает в эвтектической точке Е, образуя смесь цементита Fe3C и аустенита; последний представляет собой твердый раствор углерода в железе. Описанная смесь называется ледебуритом. Расплав, состав которого отвечает точке 2, при отвердевании образует кристаллы аустенита, а остающийся расплав обогащается углеродом до тех пор, пока не будет достигнута эвтектическая точка. После этого получается твердая фаза, содержащая аустенит и ледебурит. Таким образом, расплавы состава 1 и 2 в итоге дают смеси одинаковых твердых веществ, аустенита и цементита, но в различных пропорциях. Эта величина характеризует максимальное содержание углерода в его твердом растворе с железом, а также определяет верхний предел содержания углерода в обычных углеродистых сплавах. При наличии большего количества углерода сплавы железа называются чугуном. При охлаждении расплава с составом 3 сначала образуются аустенитные кристаллы, более бедные углеродом, чем расплав; расплав же, наоборот, обогащается углеродом. При охлаждении до температуры, соответствующей точке на кривой солидуса, которая отвечает составу исходного расплава, он кристаллизуется с образованием аустенита.  

В течение последних лет было выполнено достаточное количество работ по изучению фазовых диаграмм и процессов испарения высокоогнеупорных псевдометаллических карбидов элементов IV и V групп, на основе которых можно представить общий характер поведения этих материалов. Эти соединения (а также аналогичные нитриды, тройные и четвертные карбидонитриды, окси-карбиды и оксикарбонитриды) имеют очень высокую энергию связи. На основании электропроводности и магнитных свойств этих соединений установлено, что связи в них имеют металлический характер во всей кристаллической решетке. Составы образующихся фаз не определяются валентностями, как это имеет место в случае ионных соединений переходных металлов или в случае соединений типа адамантина, в которых преобладают ст-связи. В карбидах при высоких температурах обычно присутствуют три нестехиометрические фазы. Металл (а-фаза) при высоких температурах присоединяет 5 - 10 ат. Следующая фаза имеет идеальную гексагональную решетку с химической формулой МаС, а отклонения от стехиометрического состава при температурах значительно ниже эвтектической, по-видимому, очень незначительны. При приближении к эвтектической температуре минимальная концентрация углерода в фазе М2С быстро уменьшается, а максимальная концентрация углерода увеличивается лишь незначительно. В любом случае при очень высокой температуре фаза М2С неустойчива и изменяется по перитектической реакции с образованием расплава и у-фазы типа NaCl с большими отклонениями от стехиометрического состава. Фаза имеет широкий диапазон составов. Однако представляется, что во всех изученных системах максимальное содержание углерода в карбиде, находящемся в равновесии с графитом, остается меньше стехиометрического. Результаты, полученные различными исследователями, иногда не согласуются, а интерпретация результатов затрудняется легкостью внедрения в эти фазы кислорода и азота, а также сложностью определения малых примесей.  

Страницы:      1    2    3    4

Углеро́дистая сталь - нелегированная конструкционная или инструментальная сталь, содержащая менее 2, 14% углерода . Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству. По структуре углеродистая сталь может быть доэвтектоидной (содержит до 0, 8% углерода, структура состоит из феррита и перлита), эвтектоидной (содержит около 0, 8% углерода, структура состоит только из перлита), заэвтектоидной, (содержит 0, 8-2, 14% углерода, структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита). По способу производства различают углеродистые стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом. По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные, спокойные стали. По назначению углеродистые стали делятся на конструкционные стали и инструментальные стали ; существует также группа углеродистых сталей специального назначения. По содержанию углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0, 25 %; среднеуглеродистые, с содержанием углерода в 0, 3-0, 6%; высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0, 6%. Различают также обыкновенные углеродистые стали и качественные углеродистые стали.

Содержание углерода в стали определяет ее структуру и свойства, так как с увеличением концентрации углерода в стали в ее структуре увеличивается количество цементита. Структура стали с содержанием углерода менее 0, 8 % состоит из феррита и перлита, при более высоком содержании углерода в структуре стали, кроме перлита, появляется структурно свободный вторичный цементит. Сталь со структурой феррита достаточно пластичная, но имеет низкую прочность; сталь со структурой цементита хрупкая, но имеет высокую твердость. С увеличением содержания углерода (до 0, 8-1, 0 %) увеличивается твердость и прочность нелегированных сталей, но уменьшается их вязкость и пластичность. Содержание углерода влияет на такие технологические свойства стали, как свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. Низкоуглеродистые стали используются для изготовления малонагруженных деталей и конструкций, среднеуглеродистые стали - основной конструкционный материал в общем и транспортном машиностроении, высокоуглеродистые стали используются для изготовления деталей с высокой износостойкостью, а также для изготовления измерительного, режущего, ударно-штампового инструмента.

На свойства стали влияет содержание постоянных (марганец, кремний, сера, фосфор) и скрытых (кислород, азот, водород) примесей. Полезными примесями являются марганец и кремний, которые вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления. Вредными примесями в углеродистой стали являются сера и фосфор. Для улучшения физико-химических и технологических свойств применяют микролегирование углеродистой стали титаном, цирконием, бором, редкоземельными элементами.

Характерной чертой кипящей стали является незавершенный процесс ее раскисления. Эта сталь имеет повышенную пластичность, хорошо штампуется и сваривается. Она более дешевая, так как при ее выплавке расходуется минимальное количество специальных добавок и обеспечивается максимальный выход годного продукта. Недостатком кипящей стали является развитая ликвация, в результате которой прокат из ее неоднороден по структуре и механическим свойствам.

Спокойная сталь раскислена ферромарганцем , ферросилицием , алюминием и более однородна по составу. Остаточный алюминий снижает склонность к росту зерна, поэтому прочность и хладостойкость проката из спокойной и мелкозернистой стали выше, чем у проката из кипящей стали. Полуспокойная сталь характерна промежуточной степенью раскисления. В отличие от кипящей стали ее перед разливкой обрабатывают небольшим количеством раскислителей. По свойствам она занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями.

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается более высокое содержание вредных примесей, чем в качественных углеродистых сталях. Их выплавляют в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах, обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры указывают условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. Буквы кп, пс, сп в конце марки указывают на способ раскисления: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная. К углеродистым сталям обыкновенного качества относятся горячекатаная стать (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная сталь (тонколистовая).

К качественным углеродистым сталям предъявляются жесткие требования по содержанию вредных примесей (содержание серы не должно превышать 0, 04%, фосфора - 0, 035 %). Их выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах, мартеновских печах. Качественные углеродистые стали маркируются двузначными цифрами (05, 10, 15), указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буква А в конце марки указывает на улучшенное металлургическое качество. При обозначении кипящей или полуспокойной стали указывается степень раскисленности: кп, пс. У спокойной стали степень раскисленности не указывается.

Углеродистая сталь – это металлургические композиции с низким содержанием добавок и высоким содержанием железа – до 99 ½ %. Этот материал высоко востребован в различных сферах промышленности, чем объясняется его высокая доля в производстве – до 80%. Сегодня разработано около 2 тысяч марок. Структура материала зависит от содержания в нем углерода. Изменяя процентное соотношение можно влиять на такие характеристики, как твердость, текучесть, пластичность и плотность. Критичным является показатель углерода в составе материала в 0,8%.

Относительно этого показателя УС различают:

• если С менее 0,8%, в структуре материала присутствует феррит и перлит;
• на уровне содержания С (углерода) в 0,8% для материала характерна перлитная структура;
• при содержании С более 0,8% в структуре появляется цементит.

Общая тенденция с повышением содержания С выражается в повышении прочности, ударной вязкости и порога хладноломкости, но пластичность проката снижается.

Классификация углеродистых сталей

Кроме классификации по структурным параметрам,их принято различать по технологии получения:

• электрические УС;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

По уровню раскисления подразделяют материал:

• спокойный;
• кипящий;
• полуспокойный.

По качеству, в соответствии с наличием и объемам вредных примесей железный сплав бывает:

• обычного качества;
• качественные стали.

По сфере использования УС бывают:

• обычные;
• инструментальные;
• конструкционные.

По наличию и объемам С в углеродистом железном сплаве материал классифицируют:

• высокоуглеродистые стали марки с содержанием С более 0,65%;
• среднеуглеродистые – от 0,25 до 0,6%;
• низкоуглеродистые стали марки с содержанием С до 0,25%.

Чем выше показатели углерода, тем тверже и прочнее материал, но и выше его хрупкость. Маркировка материала напрямую связана с его назначением:

• Обычного качества обозначают условным буквенным обозначением Ст. Далее следуют цифры от 1 до 7, которые показывают содержание С (углерода), кратное 10. Производства железных сплавов этой группы регламентирует ГОСТ380-85. Дополнительно эти материалы принято различать по группе поставок: А, Б и В. Это обозначение указывается перед маркой (группа А не указывается). Для А – стабильны механические свойства, для Б стабильны механический состав, для В стабильны свойства и состав.
• Конструкционные УС регламентирует ГОСТ380-88, маркировка осуществляется цифрами: от 08 и до 85. Эти цифры информируют о содержании С (углерода) в материале в сотых долях %. Если железный сплав характеризуется увеличенным содержанием марганца, в конце маркировки указывается Г.
• Инструментальные УС регламентирует ГОСТ1435-54 и 5952-51. Этот железный сплав относится к качественным, и маркируется буквой У. Далее следуют цифры, которые показывают объемы углерода в десятых долях %. Существует подгруппа высшего качества, в этом случае обозначение завершается буквой А. Им характерно повышенное содержание углерода.

В обозначении марки принято указывать степень раскисления: пс или кс.

Процент С в составе инструментальной стали обуславливается ее применение. У7 — для изготовления кузнечных молотов, штампов и зубил, У8 идет на изготовления инструментария для работы с камнем и металлом, У9 – оптимален для производства штемпелей и кернеров. Последующие модификации используют для выпуска полотен ножовок, сверл, плашек, резцов.

Отличие углеродистых сталей от легированных

Марки УС различают технологические процессы и использование различных добавок. Так чем отличаются углеродистые стали от легированных, если в эти железные сплавы также добавляются элементы, изменяющие механические, эксплуатационные и технологические параметры:

• В состав углеродистых железных сплавов входят железо, углерод и нормальные примеси, которые бывают полезными и вредными. К первым относится марганец и кремний. Вредные примеси – это сера и фосфор.
• В состав материала не входят легирующие добавки, которые изменяют свойства, такие как: молибден, титан, вольфрам и другие.
• УС не предназначены для специального использования, это общепромышленный материал.
• В сравнении с легированными материалами, углеродистые сплавы имеют более низкие технологические и эксплуатационные параметры, в том числе твердость и теплостойкость.

Область применения углеродистых сталей

Сфера применения УС определяется видом. Так, для холодной деформации и горячей ковки используется малоуглеродистая сталь, марки ее отличаются высокой пластичностью. Железные сплавы со средним содержанием углерода немногим отличаются по показателям текучести и пластичности, но его прочность уже выше. Они актуальны для производства элементов конструкций и механизмов, которые будут эксплуатироваться в обычных условиях. УС с высоким содержанием углерода обладают высокой прочностью, из них изготавливают различный инструмент и измерительные приборы. УС обычного качества используется на производстве листового материала, швеллеров, прутьев, балок и других изделий. Из нее выполняют элементы машин и металлические конструкции.

Обработка углеродистых сталей

Основными видами обработки УС являются: отжиг, закалка, нормализация, старение и отпуск.

• Углеродистые стали обыкновенного качества. Сплав группы А поставляются для изделий, которые не подвергаются обработке. Группа Б – это материалы, которые предназначены для штамповки, ковке, а иногда и температурной обработке. Группа В – это сплавы, которые могут обрабатываться методом сварки.
• Сталь углеродистая качественная. Этот материал можно подвергать химикотермической обработке, нормализации, холодной механической обработке, высадке, штамповке и обработке давлением. Особенности технологического процесса зависят от конкретной марки.

Одним из главных преимуществ этого железного сплава является его невысокая стоимость. Именно этот фактор обуславливает широкую применяемость материала.

Чтобы определить состав, свойства и характеристики углеродистых сталей, необходимо разбираться в их маркировке. Разберем все на конкретных примерах, чтобы справиться с поставленной задачей смог даже неопытный работник.

1

В этой статье речь пойдет о сплаве железа и углерода (С). Конечно, не обходится и без других примесей, но углеродистая сталь содержит до 2% С, а процентное содержание иных добавок незначительно. Такой материал нашел свое широкое применение во многих промышленных цехах. Из него изготавливают инструменты, оборудование, детали котлов, различные элементы. Этот дешевый сплав пользуется невероятной популярностью в строительной индустрии, особенно при изготовлении несущих конструкций. Среднеуглеродистые сплавы часто используются в машиностроении.

Огромный спрос обоснован не только приемлемой стоимостью материала, но и его свойствами. Он достаточно пластичен, легко подвергается обработке и превосходно сваривается. Также углеродистые сплавы не боятся динамических нагрузок. Но во многом характеристики металла зависят от его химического состава. С увеличением процентного содержания С изменяется структура сплава и его свойства. С возрастанием количества углерода до 1% увеличивается предел прочности и твердость, зато такое изменение негативно сказывается на пластичности и пределе текучести.

Углеродистый сплав

Дальнейшее увеличение С только ухудшит прочностные характеристики, именно поэтому в высокоуглеродистых сталях содержание этого элемента обычно не превышает 1,3%.

Ради справедливости стоит отметить и недостатки, которыми обладают такие марки сталей. К ним относятся низкие электротехнические свойства, недостаточная коррозионная устойчивость, которая еще более ухудшается с повышением температуры. Поэтому изделия следует покрывать защитным слоем. Также при нагреве снижаются прочностные характеристики сплавов, а перегрев приводит к короблению и образованию трещин. Негативно сказывается и высокий коэффициент теплового расширения.

Скажем еще пару слов о примесях, их влияние может принести как пользу, так и вред. К первым относятся марганец и кремний, которые способствуют раскислению. А такие добавки как сера и фосфор отрицательно скажутся на характеристиках. Первая способствует красноломкости, т. е. материал плохо поддается обработке в нагретом состоянии. А вот фосфор вызывает хладноломкость – металл боится холодной обработки.

2

Если углеродистая сталь содержит менее 0,8% С, то она будет иметь доэвтектоидную структуру. При увеличении этого элемента до 0,8% и более, структура материала изменяется на эвтектоидную и заэвтектоидную соответственно. В первом случае структура ферритно-перлитная, в эвтектоидных уже преобладает перлит, а при дальнейшем увеличении С в составе материала появляется вторичный цементит.

Также сплавы делятся согласно степени раскисления на спокойные, кипящие и полуспокойные. Если металл был полностью раскислен в печи и, соответственно, не содержит закиси железа, то такой сплав называется спокойным. К его достоинствам следует отнести отсутствие газов, а главный недостаток – относительно дорогая выплавка. В основном такой материал пользуется спросом для изготовления ответственных конструкций. Более дешевое производство у кипящей углеродистой стали, но в этом случае она будет содержать растворенные газы. Они негативно скажутся на свариваемости материала. Например, азот может спровоцировать появление трещин при проведении сварочных работ. Кипящие сплавы содержат некоторое количество закиси железа, вызванное неполным раскислением в печи.

Существуют еще полуспокойные марки сталей. Они выступают по степени раскисления чем-то средним между кипящими и спокойными. Металл затвердевает в изложнице без кипения, однако процесс сопровождается выделением газов. Но стоит отметить, что количество газовых пузырей значительно меньше, чем в случае с кипящими сталями, а в процессе прокатки они завариваются полностью. Этот сплав чаще всего используется как .

Марки углеродистой стали

Делятся сплавы также в зависимости от способа создания и имеющихся на выходе качеств. Углеродистая сталь обыкновенного качества в основном выплавляется в мартеновских печах, а затем разливается в большие слитки. Такой металл имеет довольно большое содержание неметаллических включений. В прокатанном виде наблюдается полосатость вдоль направления течения.

Качественный сплав также производится с помощью мартеновских печей, но в этом случае к технологии предъявляются более строгие требования, за счет чего количество неметаллических включений значительно снижается. Высококачественные сплавы изготавливаются в электропечах. Такая технология гарантирует повышенную чистоту материала, а значит, и превосходные механические свойства.

Знакомое даже непрофессионалу разделение – по назначению, сплавы делятся на инструментальные и конструкционные. Первые используются для изготовления различных инструментов. Содержание углерода в них колеблется в пределах от 0,65 до 1, 32%. Конструкционные марки нашли свое применение при изготовлении различных деталей и узлов. Например, для производства элементов, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающие динамические нагрузки, лучше всего зарекомендовали себя цементуемые марки сталей. Они делятся на 3 группы: сплавы с неупрочняемой, слабоупрочняемой и сильноупрочняемой сердцевиной. Все цементуемые сплавы подвергаются цементации.

По химическому составу такие сплавы делятся на мало-, средне- и . Содержание С в последнем случае превышает 0,7%, а в первом менее 0,3%. Если в составе присутствует С в пределах от 0,3 до 0,7%, то это среднеуглеродистые стали.

3

Если вам предстоит работать с таким материалом, то важно не тушеваться при виде маркировки. Сплавы обыкновенного качества обозначаются сочетанием букв Ст с цифрами от 0 до 6 и делятся на 3 категории. Если материал поставляется с гарантией механических свойств, при этом его химический состав не оговаривается, то он относится к группе А. Причем в этом случае категория в маркировке никак не обозначается. А определить свойства сплава можно по его номеру, чем он выше, тем больше прочность.

А вот сплав с гарантированным составом, но не регламентируемыми свойствами будет обозначаться буквой "Б". Символ находится в самом начале шифра. У этих сталей в соответствии с номером изменяется содержание С. Если же на первой позиции увидите "В", то речь идет о сплавах, в которых регламентируется и состав, и механические свойства. Первый соответствует сталям группы Б с аналогичным номером, а механические свойства – сплавам категории А. Более подробно ознакомиться с характеристиками можно, изучив сопроводительные документы.

Маркировка углеродистых сталей

В конце маркировки указывается степень раскисления. Полуспокойные и кипящие обозначаются сочетанием букв "пс" и "кп", соответственно. Если в конце шифра нет никаких символов, значит, сплав относится к спокойному типу. Сейчас попробуем разобрать все на конкретных примерах. Ст5 – углеродистая сталь с номером 5, относится к группе А, спокойная. Шифр БСт2кп означает, что сплав с номером 2 относится к категории Б, кипящий.

Качественные углеродистые сплавы маркируют цифрами, показывающими среднее содержание С в сотых долях. Если после цифирного обозначения увидите букву "Г", то речь идет о сталях с повышенным содержанием марганца. Как и в предыдущем случае степень раскисления указывается в конце. Пример: Сталь 20 – качественная углеродистая, содержание С 0,2%. Отсутствие каких-либо символов после цифр свидетельствует, что в составе металла менее 0,8% марганца, и он относится к спокойному типу. Сталь 40Гкп – углеродистая (0,4% С) с повышенным содержанием марганца, кипящая.

Маркировка инструментальных сплавов начинается с символа "У", за которым следуют числа, показывающие количество углерода в составе сплава. Только в этом случае С указывается в десятых долях. В конце шифра можно увидеть букву "А", так обозначаются сплавы повышенного качества. У4 – инструментальная углеродистая сталь (0,4% С). У8А – сплав (0,8%С) повышенного качества.

Сталь является наиболее распространенным материалом в машиностроении. Создание новых более совершенных машин стимулирует создание марок сталей со свойствами, отвечающими современным требованиям в машиностроении. При этом ранее созданные марки сталей, с учетом новых технологий их производства, продолжают быть востребованы конструкторами при создании новых и совершенствовании действующих машин. Принято выделять следующие группы сталей:

• углеродистые стали, которые в общем объеме составляют примерно 80%,
• легированные стали конструкционные и инструментальные,
• стали с особыми свойствами специального назначения и др.

1. Стали углеродистые обыкновенного качества

Относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых. Из них получают до 70% всего проката – горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового. Из этих сталей изготовляют трубы, поковки, штамповки, ленту, проволоку, металлические изделия (метизы): гвозди, канаты, сетки, болты, гайки, заклепки, а также мало- и средненагруженные детали; штифты, шайбы, шпонки, крышки, кожухи, а из стали номеров 4-6 – валы, винты, зубчатые колеса и шпиндели. Стали обыкновенного качества хорошо свариваются.

В зависимости от назначения углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют (ГОСТ 380- 94) на три группы:

• А – поставляемые по механическим свойствам,
• Б – поставляемые по химическому составу,
• В – поставляемые по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей (прочностная характеристика, химический состав) сталь каждой группы подразделяют на категории:

• группа А – 1, 2 и 3-я;
• группа Б – 1, 2,-я;
• группа В – 1, 2, 3, 4, 5, 6-я.

Буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6 – условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности σ в и предел текучести σ т и уменьшается относительное удлинение δ. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная (например: СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп; табл. 1 и 2).

Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества группы А и примерное назначение углеродистой стали обыкновенного качества приведены в табл. 1.

Таблица 1. Стали углеродистые, их механические свойства и назначение

Для возможности распознания марок стали при складировании, прокат маркируют несмываемой краской. Для этого, независимо от группы и степени раскисления стали, используют краску цветов, указанных в табл. 2.

Таблица 2. Цвет маркировки стали углеродистой обыкновенного качества

2. Стали углеродистые качественные конструкционные

Являются основным металлом для изготовления деталей машин (валов, шпинделей, осей, зубчатых колес, шпонок, муфт, фланцев, фрикционных дисков, винтов, гайек, упоров, тяг, цилиндров гидроприводов, эксцентриков, звездочек цепных передач и др.), которые при взаимодействии в работающей машине воспринимают и передают различные по величине нагрузки. Эти металлы хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке.

Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.

Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной

Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).

Обозначение марки стали составляют из слова «Сталь» и двузначной цифры, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода – 0,220,30 %), Сталь 60-0,60 % (допустимое количество -0,57-0,65%). Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора – не более 0,035%.

Основные свойства углеродистой качественной конструкционной стали приведены в табл. 3, основное назначение – в табл. 4. Цвета маркировки приведены в табл. 5.

Таблица 4. Стали углеродистые качественные конструкционные, их основное назначение

Таблица 5. Цвета маркировки стали углеродистой качественной

3. Стали углеродистые инструментальные

Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.

Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99):

• качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
• высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А.

В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных – 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:

• 1-я – качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патенти- рованной проволоки и ленты);
• 2-я – высококачественные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы;
• 3-я – стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников;
• 4-я – стали всех марок для производства патентированной проволоки и ленты;
• 5-я – стали марок У7÷У13 для изготовления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали этих марок для производства горячекатаной и кованой сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки).

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью (63÷64 HRC 3), значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).

Измерительный инструмент, изготовленный из такой стали, должен быть прочным (а в = 590÷640 МПа), длительное время сохранять заданные размеры и форму. Рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой стали, должны иметь высокую твердость, обладать износостойкостью при достаточной вязкости. Все это достигается путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. В табл. 6 приведены свойства углеродистой инструментальной стали, в табл. 7 – примерное назначение инструментальной углеродистой стали.

Таблица 6. Свойства стали углеродистой инструментальной (ГОСТ 1435 - 74)

Таблица 7. Примерное назначение стали углеродистой инструментальной

Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зернистый цементит, который способствует лучшей обрабатываемости резанием и уменьшает коробление деталей при закалке.