Высокоуглеродистая сталь что это такое

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь отличается содержанием углерода до 2,14% без наличия легирующих элементов, небольшим количеством примесей в составе, и небольшим содержанием магния, кремния и марганца. Это в свою очередь влияет на свойства и особенность применения. Она является основным видом продукции металлургической промышленности.

Состав

В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.

Высокая прочность и твёрдость — вот что характеризует углеродистую сталь.

Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.

Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:

Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.

Характеристика

Характеристики и структуру металла меняют, используя термическую обработку, посредством которой, достигают нужной твердости поверхности или других требований для применения стальной конструкции. Однако, не все структурные свойства поддаются корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным характеристикам относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига. Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов в различных сферах машиностроения.

В случаях, когда расчет прочности узла требует применения деталей малых размеров, способных выдержать требуемую нагрузку, применяют термическую обработку. Такое воздействие на «сырую» сталь позволяет увеличить жесткость материала в 2-3 раза. К металлу, который подвергают такому процессу, предъявляют требования по количеству углерода и других примесей. Называют эту сталь – повышенного качества.

Классификация углеродистых сталей

По направленности применения продукции, углеродистую сталь разделяют на инструментальную и конструкционную.

Последнюю из них используют для возведения различных строений и остовов деталей. Из инструментальных, изготавливают прочный инструмент для выполнения любых работ, вплоть до обработки металлов резанием. Применение металлических изделий в хозяйстве, потребовало выделить сталь в разные категории, обладающие специфическими свойствами: жаропрочную, криогенную и коррозионно-стойкую.

По способу получения углеродистые стали делят на:

• электростали;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.

Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:

Содержание углерода делит сталь на 3 категории:

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

Именно структура, является характерным признаком, при определении состояния металла. У доэвтектоидных сталей, структура состоит из перлита и феррита. У эвтектоидных – чистый перлит, а заэвтектоидные, характеризуются перлитом с примесями вторичного цементита.

При увеличении количества углерода, сталь повышает прочность и уменьшает пластичность. Большое влияние оказывается также на вязкость и хрупкость материала. При повышении процентного содержания углерода, уменьшается ударная вязкость и повышается ломкость материала. Не случайно, при содержании, на уровне более 2,4 %, металлические сплавы относят уже к чугунам.

По количеству углерода, в составе сплава, сталь бывает:

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

Маркировка

При обозначении углеродистых сталей обычного качества, используют буквы Ст, которые сопровождаются цифрами, характеризующими содержание углерода. Одна цифра показывает количество, увеличенное в 10, а две цифры – в 100 раз. При гарантии механического состава сплава, перед обозначением добавляют Б, а соблюдение химических составляющих веществ – В.

В окончании маркировки, две буквы показывают степень раскисления: пс – полуспокойного, кп – кипящего состояния сплавов. Для спокойных металлов этот показатель не указывают. Увеличенное количество марганца в структуре изделия, обозначают буквой Г.

При обозначении углеродистых сталей высокого качества, используемых при изготовлении инструментов, применяют букву У, рядом с которой прописывают число, подтверждающее количество процентов углерода в 10-кратном размере, независимо от того, будет оно двухзначным или однозначным. Для выделения сплавов повышенного качества, к обозначению инструментальных сталей добавляют букву А.

Примеры обозначения углеродистых сталей: У8, У12А, Ст4кп, ВСт3, Ст2Г, БСт5пс.

Производство

Изготовлением металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика процесса получения углеродистой стали, заключается в переработке чугунных заготовок с уменьшением таких взвесей, как сера и фосфор, а также углерод, до требуемой концентрации. Различия методики окисления, посредством которой удаляют углерод, позволяет выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Основой методики был бессемеровский метод, который предусматривает продувку жидкого чугуна воздухом. Во время этого процесса, углерод окислялся и удалялся из сплава, после чего, чугунные слитки постепенно превращаются в сталь. Производительность данной методики высока, но сера и фосфор оставались в металле. Кроме того, углеродистая сталь насыщается газами, в том числе, азотом. Это улучшает прочность, но снижает пластичность, сталь становится более склонной к старению и изобилию неметаллическими элементами.

Учитывая низкое качество стали, получаемой бессемеровским методом, его перестали использовать. На замену пришел кислородно-конвертерный способ, отличием которого является использование чистого кислорода, вместо воздуха, при выполнении продувки жидкого чугуна. Использование определенных технических условий, при продувке, значительно снизило количество азота и других вредных примесей. В результате, углеродистая сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, по качеству приближена к сплавам, переплавляемым в мартеновских печах.

Технико-экономические показатели конверторного способа подтверждают целесообразность такой плавки и позволяют вытеснить устаревшие методы изготовления стали.

Мартеновский метод

Особенностью способа получения углеродистой стали, является выжигание углерода из чугунных сплавов не только с помощью воздуха, но и за счет добавления железных руд и ржавых изделий из металла. Этот процесс обычно происходит внутри печей, к которым подводят подогретый воздух и горючий газ.

Размер таких плавильных ванн очень велик, они могут вмещать до 500 тонн расплавленного металла. Температура в таких емкостях поддерживается на уровне 1700 ºC, а выжигание углерода происходит в несколько этапов. Сначала, благодаря избытку кислорода в горючих газах, а когда образуется шлак над расплавленным металлом, посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые, в дальнейшем удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства.

Плавка стали в мартеновских печах проходит около 7 часов. Это позволяет отрегулировать нужный состав сплава, при добавлении различных руд или лома. Углеродистая сталь давно изготавливается этим методом. Такие печи, в наше время, можно найти на территории стран бывшего Советского Союза, а также – в Индии.

Электротермический способ

Изготовить качественную сталь с минимальным содержанием вредных примесей, удается при плавке в вакуумных топках электродуговых или индукционных печей. Благодаря улучшенным свойствам электростали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Процесс преобразования сырья в углеродистую сталь, происходит в вакууме, благодаря чему качество полученных заготовок, будет выше, относительно рассмотренных ранее методов.

Стоимость такой обработки металлов дороже, поэтому данный метод используют при технологической необходимости в качественном изделии. Для удешевления технологического процесса используют специальный ковш, который разогревают внутри вакуумной емкости.

Применение

Углеродистая сталь, благодаря своим свойствам, нашла широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, особенно, в машиностроении. Использование в конструкторских расчетах способности металла сопротивляться нагрузкам и иметь высокие пределы усталости, позволяет изготавливать из углеродистой стали такие ответственные детали машин, как: маховики, зубчатые передачи редукторов, корпуса шатунов, коленчатые валы, поршни плунжерных насосов, технологическую оснастку для деревообрабатывающей и легкой промышленности.

Высокоуглеродистые стали с увеличенным количеством марганца, применяют для изготовления таких деталей, как пружины, рессоры, торсионы и подобные узлы, требующие упругости сплава. Инструментальные сплавы повышенного качества, широко применяют при производстве инструментов, которыми обрабатывают металлы: резцы, сверла, зенковки.

Использование углеродистой стали с низким и средним количеством содержания углерода, нашло применение при возведении металлических конструкций и коммуникаций. Специальные прокатные станы металлургических комбинатов изготавливают, постоянно пользующиеся спросом, различные профили:

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

Во всех отраслях широко используется листовой прокат, который отличается размерами, качеством и толщиной изготавливаемых изделий.

Используя специфические свойства углеродистых сталей, их применяют в различных областях народного хозяйства. Знание специфики отличий тех или иных сплавов, позволит грамотно и технологично применить требуемый материал в нужном месте.

Углеродная (углеродистая) сталь: виды, производство и применение

Благодаря своим прочностным характеристикам и доступной цене углеродистая сталь является весьма распространенным сплавом. Его главные элементы — это железо и углерод с минимумом присесей. Из углеродной стали производят различную машиностроительную продукцию, детали трубопроводов и котлов, инструменты. В строительстве сплавы тоже нашли широкое применение.

Основные характеристики

В зависимости от основного своего назначения углеродистые стали делятся на инструментальные и конструкционные, легирующих элементов в их составе практически нет. От обыкновенных стальных сплавов они отличаются еще и тем, что имеют в составе значительно меньше базовых примесей: марганца, магния, кремния. Содержание главного элемента — углерода — варьируется в довольно широких пределах. В составе высокоуглеродистой стали содержится 0,6−2% C, среднеуглеродистой — 0,3−0,6%, низкоуглеродистой — до 0,25%.

Основной элемент определяет свойства и структуру. Во внутренней структуре сплавов с менее чем 0,8% C (сталь доэвтектоидная) — преимущественно перлит и феррит, а при увеличении концентрации главного элемента формируется вторичный цементит.

Представленные стали с преобладанием ферритной структурой высоко пластичны и имеют низкую прочность. Если в структуре преобладает цементит, металл характеризуется высокой прочностью, однако и большой хрупкостью. При повышении содержания C до 0,8−1% растет прочность и твердость, но сильно ухудшается вязкость и пластичность.

Количественное содержание углерода сказывается на технологических характеристиках, в частности, на свариваемости, легкости обработки резанием и давлением.

• Из низкоуглеродистых сталей изготавливают детали и конструкции, не предназначенные для значительных нагрузок.
• Характеристики среднеуглеродистых сталей делают их основным конструкционным материалом, который используется в производстве конструкций и деталей для транспортного и общего машиностроения.
• Высокоуглеродистые сплавы оптимальны для изготовления деталей, которые должны иметь повышенную износостойкость, в производстве измерительного и ударно-штампового инструмента.

Металл, как и иные стальные сплавы, в составе содержат примеси:

Кремний и марганец — это полезные примеси, которые вводятся в состав на стадии выплавки для раскисления. Фосфор и сера — вредные примеси, ухудшающие качественные характеристики сплава.

Считается, что легирование и углеродистые виды несовместимы, тем не менее с целью улучшения их технологических и физико-механических характеристик может выполняться микролегирование с помощью добавления различных добавок:

С их помощью не удастся превратить металл в нержавейку, но значительно улучшить свойства получится.

Классификация по степени раскисления

На разделение на типы влияет, в частности, степень раскисления. В зависимости от этого параметра наши сплавы делят на полуспокойные, спокойные и кипящие.

Более однородную внутреннюю структуру имеют спокойные стали, чье раскисление достигается путем добавления в расплавленный металл алюминия, ферросилиция и ферромарганца. Благодаря тому, что сплавы нашей категории полностью раскислились в печи, в их составе отсутствует закись железа. Остаточный алюминий, препятствующий росту зерна, обеспечивает мелкозернистую структуру. Она и практически абсолютное отсутствие растворенных газов позволяет получить качественный металл для изготовления из него самых ответственных деталей и конструкций. Наряду с плюсами у спокойных сплавов есть большой минус — достаточно дорогая выплавка.

Есть более дешевые, хотя и менее качественные, углеродистые сплавы, при выплавке которых используют минимум специальных добавок. В структуре такого металла из-за того, что процесс раскисления в печи не довели до конца, есть растворенные газы, негативно отражающиеся на характеристиках. Азот, например, плохо влияет на свариваемость и провоцирует образование трещин в области шва. Развитая ликвация в структуре сплавов приводит к тому, что металлопрокат, сделанный из них, отличается неоднородностью по структуре и механическим характеристикам.

У полуспокойных сталей промежуточное положение по свойствам и степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав их вводится немного раскислитилей, благодаря которым затвердеванием металла происходит практически без кипения, но выделение газов в нем продолжается. В результате получается отливка, в структуре которой меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Эти внутренние поры при последующей прокатке металла завариваются практически полностью.

Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется как конструкционные материалы.

Производство и деление по качеству

Углеродистые стали получают путем использования разных технологий. Различают:

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

Сплавы обыкновенного качества получают в мартеновских печах, а из них формируются большие слитки. К плавильному оборудованию, использующемуся для получения таких сталей, относятся, в частности, кислородные конвертеры. В сравнении с качественными стальными сплавами, в металле может содержаться много вредных примесей, что отражается на характеристиках и стоимости производства.

Сформированные и застывшие слитки прокатывают горячими или холодными. Горячей прокаткой получают сортовые и фасонные изделия, тонколистовой и толстолистовой металл, широкие металлические полосы. Холодной прокаткой получают тонколистовой металл.

Для производства качественной и высококачественной стали используются мартеновские печи и конвертеры, а также плавильные печи, которые работают на электричестве.

К составу, а именно к наличию в структуре вредных и неметаллических примесей, ГОСТ предъявляет жесткие требования. В высококачественных сталях должно быть не более 0,04% серы и не более 0,035% фосфора. Высококачественные и качественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу выплавки и характеристикам имеют повышенную чистоту структуры.

Применение и маркировка

Инструментальные сплавы, в которых 0,65−1,32% C, используются для изготовления различного инструмента. Для улучшения механических свойств инструментов делают закалку материала изготовления.

Из конструкционных сплавов делают детали для разного оборудования, элементы конструкций строительного и машиностроительного назначения, крепежные детали и прочее. Из конструкционной стали делается проволока углеродистая, которая используется в быту, в производстве крепежа, в строительстве, для изготовления пружин. После цементации конструкционные сплавы успешно используются в производстве деталей, подвергающихся при эксплуатации серьезному поверхностному износу и испытывающих большие динамические нагрузки.

Маркировка говорит о химическом составе сплава и о его категории. В обозначении углеродистой стали обыкновенного качества есть буквы «ст». ГОСТ оговаривает семь условных номеров марок (0−6), также указывающихся в обозначении. Степень раскисления обозначают буквы «кп», «пс», «сп», проставленные в конце маркировки. Марки высококачественных и качественных сталей обозначаются цифрами, которые указывают на содержание в сплаве C в сотых долях процента.

О том, что сплав инструментальный, можно понять по букве «У» в начале маркировки. Цифра, следующая за этой буквой, говорит о содержании C в десятых долях процента. Литера «А», если таковая присутствует в обозначении инструментальной стали, указывает на улучшенные качественные характеристики сплава.

Стали с повышенным содержанием углерода могут быть менее склонными к образованию структур малой пластичности. При воздействии структурных и сварочных напряжений металл малой пластичности может разрушиться. Этому способствует наличие в нем и его сварочном шве диффузионного водорода. Для предупреждения появления холодных трещин применяются способы, позволяющие устранить факторы, способствующие появлению таких недостатков.

Высокоуглеродистые ножевые стали

Углеродистые ножевые стали
Углеродистой сталью называют сплав, основными элементами которого являются железо и углерод, с примесями других различных химических элементов. В зависимости от процентного содержания углерода в составе стали, их можно разделить на три группы: низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые. В этой статье мы рассмотрим самые популярные отечественные марки углеродистой стали.

Высокоуглеродистые ножевые стали.

Высокоуглеродистыми сталями, называют стали, в составе которых процентное содержание углерода превышает 1% и колеблется от 1,5% до 2%. Ножи, изготовленные из стали с высоким содержанием углерода отличаются повышенной твердостью клинка и так называемой «резучестью», т.е. особыми режущими свойствами.

Сталь Х12МФ занимает первое место из высокоуглеродистых сталей среди производителей ножей. Ее состав регулируется российскими стандартами ГОСТ, и содержит в себе 1,6% — углерод, 12% — хром, 0,3 % — ванадий, 0,6 % — молибден.

За счет входящего в состав углерода, сталь Х12МФ обладает повышенной прочностью кристаллической решетки, что позволяет сделать сведение клинка более тонким, и тем самым повысить его режущие свойства. Благодаря этому, чаще всего, сталь Х12МФ используется в изготовлении охотничьих ножей. Так же нож отлично себя показывает в работе со шкурой или же кожей. Ножи из стали Х12МФ длительное время держат остроту режущей кромки, при правильном и своевременном уходе мало поддаются коррозии, и легко правятся. Так же ножи из стали Х12МФ отличаются повышенной твердостью клинка, но из-за этого обладают малой пластичностью, поэтому не рекомендуется использование ножа в условиях повышенной нагрузки на «изгиб лезвия».

Сталь ХВ5 еще называют «алмазной», такое название она получила в связи с тем, что раньше она широко применялась в изготовлении инструментов для обработки алмазов. Производителями ножей она ценится за свою исключительную прочность. Родиной этой стали считается Япония. Состав: 1,5% — углерод, 0,7% — хром, 5% — вольфрам.

Сталь ХВ5 считается одной из самых твердых сталей, и из нее изготавливаются преимущественно охотничьи ножи. Таким ножом можно с легкостью разделать тушу, снять шкуру. Клинок из стали ХВ5 настолько прочный, что позволяет разрезать кости и более мягкие металлы. Нож из стали ХВ5 долгое время держит остроту режущей кромки и не требует правки. Но из-за малого содержания хрома, клинок сильно подвержен коррозии, поэтому уход за ножом должен быть более тщательный, рекомендуется ношение только в ножнах. Так же важно помнить, что из-за своей уникальной твердости, сталь ХВ5 не пластична. Поэтому нож с клинком из этой стали нельзя метать и работать им «на изгиб»

Стали У8 и У8А можно смело назвать – классическими ножевыми сталями. Производство ножей именно из этих сталей, прописано еще в стандартах ГОСТ от 1997 года. Состав их почти идентичен, это 97% железа и 0,8% углерода. А вот индекс «А» в названии стали, обозначает что качество этой стали повышено за счет уменьшения содержания в ее составе таких элементов как фосфор и сера.

Из стали У8 и У8А производят кухонные, бытовые и туристические ножи. Благодаря содержанию углерода, ножи из этих сталей отличаются прочностью режущей кромки и длительному сохранению своих режущих свойств. Они легко точатся, даже без применения специального оборудования, достаточно простого абразивного бруска, пластичны и имеют широкий круг применения. Единственным недостатком ножей из этих сталей можно назвать малую коррозийную стойкость. В связи с этим ножи из сталей У8 и У8А требуют внимательного и тщательного ухода.

Среднеуглеродистые ножевые стали

Среднеуглеродистыми сталями называют стали в составе которых процентное содержание углерода не превышает 1%, и колеблется от 0,7% до 0,9%

Ножи, произведённые из среднеуглеродистой стали отличаются повышенной износостойкостью, простотой обработки, хорошей устойчивостью к коррозии.

ШХ15 – инструментальная сталь широко применяется в изготовлении подшипников. А вот ножевых мастеров она заинтересовала только в двухтысячных годах, но быстро вышла на лидирующие позиции, как среди производителей авторских ножей, так и среди пользователей. Состав стали: 1% — углерода, 1,6 % — хром, 0,3% — кремний, 0,4 % — марганец.

Ножи из стали ШХ15 обладают повышенной износостойкостью, пластичностью, при правильном уходе хорошо выдерживают воздействие агрессивных и водных сред, легко поддаются обработке и полировке.

Сталь ШХ15 можно назвать – универсальной, она подходит для изготовления любого вида ножей и режущих инструментов. Неприхотлива в уходе и отличается невысокой ценой.

Р6М5 – среднеуглеродистая, быстрорежущая сталь. В состав входят: углерод – 0,8 %, хром – 4,4 %, вольфрам — 6,15%, стронций- 4,1%, молибден — 5%, ванадий — 1,9%.

Производство такой стали, сложный и трудоемкий процесс. Это влияет на стоимость сырья, поэтому мы не так часто встречаем ножи из стали Р6М5. Но дело не только в стоимости, сам процесс производства изделий из этой стали довольно непростой, требующий особых знаний и опыта. Поэтому далеко не все производители ножей могут работать со сталью Р6М5.

Ножи из стали Р6М5 отличаются повышенной прочностью режущей кромки, износостойкостью, стойкостью к сколам, жаропрочностью (что позволяет точить ножи из стали Р6М5 на станках, без риска перекала режущей кромки). Но также они обладают рядом минусов. Основным, из которых является сложность заточки и невозможность правки ножа без специального оборудования.

Еще один представитель среднеуглеродистой инструментальной стали – сталь 9ХС. Ее состав регулируется российскими стандартами ГОСТ и включает в себя: углерод – 0,9%, хром- 1,2%, кремний – 1,6%, марганец – 0,6%.

Сталь отлично поддается ковке, что делает ножи, произведенные с использованием этой стали более востребованными. Чаще всего из стали 9ХС изготавливают охотничьи и рыбацкие ножи.

Ножи из стали 9ХС обладают повышенными характеристиками к износостойкости, сопротивлению на изгиб, сохранению своих режущих свойств при повышенных нагрузках. Что позволяет с легкостью справляться с такими задачами, как разделка дичи или рыбы. Но добиться таких качеств от изделия из стали 9ХС может только профессионал своего дела, так что будьте внимательны при выборе ножа из 9ХС, доверяйте только проверенным производителям.

Инструментальная сталь широкого спектра применения. При изготовлении ножей, чаще всего применяется кованая сталь ХВГ, что помогает избежать микротрещин, заминов и сколов. Состав: углерод- 0,9%, хром -1,2%, кремний – 0,4%, никель – 0,3%, медь- 0,2%, вольфрам -1,4%.

Благодаря умеренному содержанию углерода, сталь ХВГ обладает достаточной прочностью, но в тоже время пластичностью. Что позволяет применять ее при изготовлении ножей различной функциональности, от ножей грибника до охотничьих. Ножи из стали ХВГ довольно неплохо переносят водную среду, и при правильном уходе устойчивы к коррозии. Просты в обработке и заточке.

Высокоуглеродистая сталь: характеристики, свойства, марки и маркировка

Высокоуглеродистая сталь по причине ряда неоспоримых достоинств, которыми она обладает, успешно применяется для производства изделий, использующихся во многих отраслях промышленности. Между тем использование сталей данной категории не всегда целесообразно, поэтому очень важно хорошо разбираться в свойствах и качественных характеристиках подобных сплавов.

Производство высокоуглеродистой стали

Особенности материала

Любая сталь, как известно, является сплавом железа и углерода, в который могут добавляться различные легирующие элементы. Разделение сталей на мало-, средне- и высокоуглеродистые типы зависит от того, в каком количестве в их составе присутствует углерод. Данный элемент, который оказывает серьезное влияние на характеристики готового сплава, может содержаться в сталях от 0,02 до 2,14%. В сталях, относящихся к категории высокоуглеродистых, количество данного элемента в составе начинается с отметки 0,6%.

Марки стали и доля различных элементов в их составе

Одной из отличительных особенностей, которой обладают высокоуглеродистые стали, является то, что изделия из них плохо поддаются сварке, ее выполнение приводит к тому, что в зоне сварного шва возникают трещины. Объясняется это тем, что такие материалы, обладая определенным химическим составом, имеют склонность к образованию закаленных зон в тех местах, где металл подвергается термическому воздействию.

В связи с такой особенностью высокоуглеродистых сталей, выполнять сварку изделий из них стоит только при помощи электродов, обладающих невысокой тепловой мощностью. Сварочная дуга, с использованием которой выполняется соединение изделий из высокоуглеродистых сталей, должна быть восстановительного типа. Применение окислительной дуги в таких случаях приведет к тому, что из состава стали будет выжигаться углерод, и, как следствие, металл в области сварного шва станет более пористым. Между тем такого отрицательного эффекта можно избежать, если предварительно прогреть соединяемые изделия до температуры 200–2500.

Нарушение технологических особенностей сварки высокоуглеродистых сталей приводит к дефектам сварочного шва

Применение сталей высокоуглеродистого типа

Углерод, содержащийся в составе любых стальных сплавов, оказывает серьезное влияние на их качественные и механические характеристики. Чем больше данного элемента содержится в стали, тем больше в ее составе цементита и меньше — феррита. Цементит, как известно, оказывает положительное влияние на твердость и прочность материала, но негативно отражается на его пластичности. Данная закономерность характерна для стальных сплавов, в которых количество углерода не превышает 1%. При превышении в составе стального сплава содержания данного элемента выше указанного предела в его структуре формируется сетка вторичного цементита, что приводит к снижению его прочностных характеристик.

При увеличении содержания углерода в составе стали происходят изменения и с рядом других характеристик данного материала. Так, снижается ее ударная вязкость, а электрическое сопротивление повышается. У стальных сплавов при увеличении в их составе содержания углерода повышается показатель температуры, при которой материал переходит от вязкого разрушения к хрупкому. У высокоуглеродистых сталей по причине особенностей их внутренней структуры снижен показатель их жидкотекучести, такие материалы хуже остальных обрабатываются резанием и давлением. Между тем стали высокоуглеродистого типа используются для производства различных изделий методом литья, из них производят проволоку, обрабатывают данный материал методом штамповки. Применения сварочных операций для изделий из сталей данных марок стараются избегать, так как они затруднены и не позволяют получать надежные и прочные соединения.

Назначение углеродистых сталей различных марок

Маркировка материала

Маркировка высокоуглеродистых стальных сплавов, как и сталей любых других марок, позволяет точно определить их химический состав, получить представление о характеристиках материала и, соответственно, правильно подобрать его для реализации тех или иных целей.

Маркировка, которую наносят на поверхность высокоуглеродистой стали несмываемой краской, включает в себя как буквенные, так и числовые значения, по которым можно узнать следующую информацию о представленном сплаве:

• тип и количество содержащихся легирующих элементов;
• качественные характеристики рассматриваемого материала;
• степень раскисления металла;
• и другие.

Примеры расшифровки маркировки

На качественные характеристики высокоуглеродистых сталей кроме углерода серьезное влияние оказывает такой элемент, как марганец. Данный элемент, в частности, отвечает за такие характеристики, как:

• прочность;
• прокаливаемость;
• износостойкость.

Марганец по причине своего значительного влияния на свойства стального сплава присутствует в составе практически каждой марки стали. В том случае, если данного элемента в стали содержится более 0,8%, то в ее маркировке после обозначения количества углерода присутствует буква «Г».

Высокоуглеродистые стали импортного производства (нажмите для увеличения)

Стальные сплавы, относящиеся к категории инструментальных, которые характеризуются содержанием углерода в пределах 0,75%, легко узнать по букве «У», располагающейся в самом начале их маркировки. Цифры, стоящие в маркировке таких сталей после данной буквы, говорят о содержании в них углерода в десятых долях процента.

Маркировка стальных сплавов, относящихся к категории высокоуглеродистых, имеет еще ряд характерных особенностей, к которым следует отнести:

• наличие в маркировке буквы «А», если высокоуглеродистый сплав относится к категории высококачественных сталей;
• буква «Ш» в маркировке таких сталей говорит о том, что перед вами марка, отличающаяся особо высоким качеством;
• буквы «сп», «пс» и «кп», присутствующие в маркировке, позволяют определить степень раскисления (спокойный, полуспокойный и кипящий, соответственно).

Таким образом, маркировка сталей данной категории позволяет получить практически всю информацию, которая необходима потребителям таких сплавов при выборе их марок.

Высокоуглеродистая сталь – полезно ли иметь много примесей в сплаве?

Высокоуглеродистая сталь нашла свое применение во многих областях, потому что обладает рядом достоинств. Однако далеко не всегда ее использование целесообразно, поэтому очень важно знать свойства и особенности данного сплава. Именно о них и пойдет речь ниже.

1 Какие стали называются высокоуглеродистыми?

Сначала стоит вообще разобраться с тем, что такое сталь. Итак, это сплав углерода и железа, а также иных легирующих элементов. Причем содержание первого колеблется в пределах от 0,02% до 2,14%, и в зависимости от его количества стали делятся на мало-, средне- и высокоуглеродистые. Что же насчет последних, так в этом случае, как уже становится понятно из названия, в сплаве повышенное количество углерода, это более 0,6 %. Такой состав влияет на эксплуатационные характеристики.

Высокоуглеродистая сталь, механические свойства которой мы подробнее рассмотрим чуть ниже, сваривается достаточно проблематично, а все из-за склонности материла к таким дефектам, как закаленные зоны и трещины в области термического влияния. В связи с этим необходимо использовать наконечники с малой тепловой мощностью. Что же насчет пламени, так оно должно быть восстановительным, ведь окислительное приведет к чрезмерному выгоранию углерода, а это поспособствует повышенной пористости шва.

Дабы предотвратить вышеописанные дефекты, следует подогреть материал до температуры 200–250 °С.

2 Свойства и область применения высокоуглеродистой стали

Рассмотрим, как же содержание углерода влияет на свойства сталей. Итак, с возрастанием этого элемента в структуре увеличивается доля цементита, при этом количество феррита, напротив, снижается. В связи с этим материал становится менее пластичным. Что же насчет таких характеристик, как твердость и прочность, то на них подобное изменение влияет положительным образом. Но и тут не все так просто, максимальные прочностные характеристики будут достигнуты при значении углерода 1%, если же его количество еще возрастет, то в структуре возникнет сетка вторичного цементита, и прочность начнет снижаться.

Теперь остановимся на ударной вязкости таких сталей, она снижается, а вот электросопротивление и температурный интервал перехода материала от вязкого разрушения к хрупкому становится выше. Кроме того, стоит отметить ухудшение литейного свойства, свариваемости, да и более проблематичными станут такие операции, как резание и обработка материала давлением. В связи с этим данные марки сталей не совсем пригодны для сваривания, хотя этой операции и не избежать, особенно когда речь идет о ремонтных работах. Их намного чаще используют для штамповки деталей. Кроме того, широкое распространение нашла и проволока, сделанная именно из этого типа материала. Также они применяются и в литейной отрасли.

3 Маркировка для высокоуглеродистых сталей

Безусловно, знать каково влияние тех либо иных химических элементов на свойства сплавов весьма важно, однако как же определить его состав? Ведь именно он играет существенную роль и влияет на свойство, качество, а также предел прочности материала, и если его неправильно подобрать, то иногда последствия могут быть необратимыми. Так, например, в случае превышения предела прочности какого-либо элемента конструкции, она разрушается.

Именно для этого существует маркировка, которая имеет буквенные и цифирные обозначения и наносится специальной несмывающейся краской. Причем по данному коду можно не только прочитать количество легирующих элементов, но и узнать еще дополнительную информацию, такую как качество металла, его степень раскисления и т. д. Об этом и пойдет речь в данном пункте.

Итак, кроме углерода на свойства стали влияет также и наличие марганца. Он способствует прокаливаемости, улучшению прочностных характеристик материала и его износостойкости. В связи с этим он присутствует почти в каждом типе стали, и если его содержание более 0,8%, то в маркировке такого материала сразу после цифрового обозначения, указывающего количество углерода, будет следовать буква «Г». Если речь идет об инструментальных сталях с содержанием углерода более 0,75%, то их код начинается с заглавной буквы «У», после которой следует процентное содержание С в десятых долях. Так, У9 означает, что говорят об углеродистой инструментальной стали, в которой около 0,9% углерода.

Кроме того, высокоуглеродистые стали разных марок имеют и еще некоторые обозначения. Например, если сплав будет высокого качества, то в конце шифра обязательно ставится буква «А», а вот особо высококачественные обозначаются как «Ш». По степени раскисления эти материалы делятся на кипящие, полуспокойные и спокойные их обозначение в маркировке «кп», «пс» и «сп», соответственно.

Сталь конструкционная качественная углеродистая

Углеродистые качественные стали не без основания называют универсальными. Их применение широко распространено не только в машиностроительной отрасли и связанных с ней сферах, но и в строительстве. Из углеродистых качественных сталей изготавливают отдельные элементы и цельные конструкции.
Распространенность свою сталь качественная конструкционная углеродистая и сплавы на ее основе получила благодаря своим характеристикам, которые обеспечивают долгий срок эксплуатации и эффективность использования изделий из нее.
Во время выплавки к качественным сталям предъявляются строгие требования к выбору сырья, способу разливки, технологии плавки.

Классификация качественных углеродистых сталей

Классифицировать углеродистые качественные стали конструкционные стали можно по следующим признакам:

• По назначению:
  1. для использования в машиностроении;
  2. для использования в строительстве;
• По количеству содержания примесей, снижающих качество:
  1. обыкновенного качества;
  2. качественные;
  3. высокого качества;
  4. особо высокого качества;

• По составу:
  1. наличие углерода:
     • малоуглеродистые;
     • среднеуглеродистые;
     • высокоуглеродистые;
  2. наличие легирующих элементов:
     • низколегированные;
     • среднелегированные;

• По способу поставки:
  1. кованная;
  2. катанная;
  3. калиброванная;

• По обработке:
  1. обыкновенные;
  2. котельные;
  3. автоматные;

• По степени раскисления:
  1. кипящая (кп);
  2. полуспокойная (пс);
  3. спокойная (без обозначения).

Наглядная классификации видов стали

Раскисление оказывает влияние на однородность внутренней структур металла. Лучшей по однородности является спокойная (а, г), за ней следует полуспокойная (в, е) и менее качественная кипящая (б, д). Внутренняя структура хорошо показана на рисунке.

Общая характеристика качественных углеродистых сталей

Основными отличиями качественных сталей от сталей обыкновенного качества являются:

• малое количество снижающих качество примесей: серы с фосфором;
• узкий диапазон количества углерода;
• увеличенное количество марганца или кремния.

Сталь поставляется от производителя с гарантией заявленного состава химических элементов и присущих им механических свойств.

Говоря о характеристиках качественных сталей следует выделить самые значимые:

• высокая прочность;
• пластичность;
• вязкозть ударная.

Изменение структуры стальных слитков в процессе твердения

Но для улучшения эксплуатационных характеристик сотрудники институтов и лабораторий экспериментируют над химическим составом, способами повышения прочности и твердости поверхностей, методами термической обработки, способами плавки и разливки металла. Механические свойства углеродистых качественных сплавов зависят от химического состава.

Свойства присущие углеродистым сплавам:

• Низкоуглеродистым – низкая прочность при высокой пластичности. Используются при производстве и изготовлении деталей и узлов со сложной конструкцией и небольшими нагрузками.Свойства присущие углеродистым сплавам:
• 15-20 – для неответственных деталей, которые не нуждаются в дополнительной термической обработке или подвергнутые нормализации.
• Среднеуглеродистые – для изготовления деталей, для которых предъявляются требования высокой твердости, но с пониженной пластичностью. Изделия, для которых необходима термическоя обработка: закалка поверхностного слоя, улучшению, нормализации. Для облегчения обработки резанием среднеуглеродистые стали подвергаются отжигу.
• Высокоуглеродистые, а также с дополнительно введенным марганцем – обладают высокими показателями упругости и стойкости к износу. Поэтому из нее изготавливают пружинные изделия.
• Автоматные – используются для обработки на автоматизированных станках. Фосфор и сера в большем количестве способствуют образованию мелкой стружки, что положительно сказывается на обрабатываемости, стойкости инструмента, но страдает шероховатость обрабатываемых поверхностей.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Область применения достаточно широка. Основными потребителями сплавов являются машиностроительная и строительная отрасли. Одним из достоинств считается хорошая свариваемость.

Как следует из названия, «конструкционная» — значит использующаяся для строительных металлоконструкций. Другое название – арматурные стали.

Рассматривая основные марки качественных сталей, использующиеся промышленными предприятиями можно разделить по назначению.

1. Качественные низкоуглеродистые стали 05-10. Основное их назначение изготовление ответственных и качественных конструкций с помощью сварки (повышение количества углерода способствует понижению свариваемости). Небольшое количество углерода после сварочных работ не провоцирует образование трещин как горячем, так и в холодном состоянии.

1. Качественные низкоуглеродистые стали 12-20. Основное их назначение изготовление элементов конструкций и деталей, которые не ответственные, малонагруженные, в последствии цементируемые. Обрабатываются резанием, холодной штамповкой, сложной вытяжкой. Требования к поверхности: износостойкость, высокая твердость при мягкой сердцевине. Изготавливаются машиностроительные элементы (вал, ось, болт, муфта, вилка, рычаг, фланцы и прочие), а также элементов котлового оборудования, работающего при высоком давлении и температурах от -40°С до 450°С (трубопровод, тройник, соединительный фланец и прочие).

1. Качественные среднеуглеродистые стали 25-35. Детали, изготовленные из данного материала, работают при средних нагрузках и с невысокими напряжениями. После химико-термического воздействия обладают высокой прочностью поверхностного слоя, износостойкостью, но с незначительной прочностью сердцевины детали (гайка, винт, собачка, крюк, кулачок, звездочка и прочие).
2. Качественные среднеуглеродистые стали 40-45. После термической обработки изделия из данного материала хорошо переносят средние нагрузки (вал, шестерня, шатун и прочие). Для получения заготовок используется метод горячей объемной штамповки. Подвергаются всем способам термической обработки. У всех среднеуглеродистых сталей после закалки и следующего за ним высокого отпуска внутренней структурой становится отпускной сорбит. В связи с чем повышается вязкость с пластичностью, а это низкая чувствительность у концентраторов напряженности. При увеличении диаметра изделия снижается его прокаливаемость.

1. Качественные среднеуглеродистые стали 50-55. Детали из этих сталей являются высоконагруженными элементами механизмов и агрегатов (муфта, шестерня, кольцо пружинное и прочие).
2. Качественные высокоуглеродистые стали 60-80 (Г). Изготавливаются детали, подвергающиеся постоянным напряжениям сжатия, которые эксплуатируются в условиях трения (эксцентрик, рессора, пружина и прочие), а также работающие при больших нагрузках динамических и статических (торсион, крестовина).

1. Качественные котельные стали 12К-22К. Применение нашли при изготовлении деталей, работа котрых сопряжена с повышенными температурами и высоким давлением. Для улучшения свариваемости в состав вводится титан, а раскисление производится за счет алюминия. Из нее изготавливают сосуды и котлы, работающие с турбинами, камерами сгорания на суднах и паровых агрегатах.

1. Сталь автоматная. Широко применяется при промышленном производстве крепежных изделий для автомобилей и узлов, работающих при статических нагрузках (болт, гайка, шпилька).

Особенности маркировки

Для обозначения используется буквенно-цифровой индекс. Цифры говорят о процентном содержании углерода (0,00%). Буквы (кп, пс или сп) говорят о степени раскисления, о повышенном количестве марганца (Г), алюминия (Ю), ванадия (Ф) и о способе обработки. Буква А, стоящая перед цифрами обозначает сплав автоматный, буква К после цифр – сплав котловой, ПВ – изготовлена горячим прокатыванием, ОсВ – металл для производства железнодорожных осей вагонов. Для обозначения качественных сталей в отличие от обыкновенного качества перед маркировкой пишется «Сталь».

1. Сталь 10. Содержание углерода порядка 0,1%, по степени раскисления спокойная.
2. Сталь 10 кп. Содержание углерода порядка 0,1%, по степени раскисления кипящая.
3. Сталь 20Г. Содержание углерода порядка 0,2%, марганца до 1%.
4. Сталь 30Г2. Содержание углерода порядка 0,3%, марганца до 2%.
5. Сталь А20. Автоматная со средним содержанием углерода порядка 0,2%.
6. Сталь 20К. Котельная со средним содержанием углерода порядка 0,2%.

Зарубежные производители аналогичной продукции производят маркировку по собственным стандартам.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.