Где применяется углеродистая сталь

Обновлено: 22.01.2025

На сегодня сталь представляет собой один из самых распространенных материалов, используемых в машиностроении и других отраслях современной промышленности. При этом активное развитие технологий требует разработки новых сплавов с соответствующими свойствами и параметрами. Однако и созданные ранее марки сохраняют свою актуальность. Именно поэтому стоит узнать все об углеродистых сталях, их видах и сферах применения.

Что это такое?

В перечень углеродистых входят стальные сплавы, одной из основных особенностей которых является доля углерода в диапазоне от 0,25 до 2%. Еще одна важная отличительная черта – это минимальное содержание серы, фосфора, марганца, кремния и магния.

Согласно актуальной статистике, на сегодня описываемый материал является более чем востребованным. Его доля в производстве широкого ассортимента изделий составляет около 80%. Это обусловлено, прежде всего, влиянием на эксплуатационные характеристики стали углерода. Так, если его содержание меньше 0,8%, то сплав будет иметь перлитовую или же ферритовую структуру.

При более высокой концентрации уже формируется вторичный цементит.

Стоит отметить, что для ферритной стали характерны повышенная пластичность и недостаток прочности. В ситуации с цементитной разновидностью главным параметром будет повышенная прочность на фоне хрупкости. Увеличение доли ключевого элемента обеспечивает улучшение прочностных показателей, но приводит к снижению показателей вязкости и пластичности.

Важно учесть, что УС относится к категории нелегированной. Однако в отдельных случаях свойства материала заметно улучшают за счет микролегирования.

С этой целью на определенной стадии производства вводят добавки, в роли которых выступают бор и титан, а также цирконий и редкоземельные элементы.

Отличия от легирующих сталей

В контексте ключевых различий между описываемым типом сплавов и легированных сталей стоит выделить следующие важные моменты.

Первые характеризуются присутствием железа, а также примесей, которые могут быть как полезными, так и вредными. К полезным относят кремний и марганец, тогда как в роли вредных здесь выступают фосфор и сера.
В описываемых сталях отсутствуют легирующие добавки в виде вольфрама, молибдена, титана и прочего, влияющие на характеристики продукта.
УС является общепромышленным сырьем, а это значит, что они не рассчитаны на специальное применение.

Также важно отметить, что легированные марки имеют более высокие эксплуатационные параметры. И здесь, прежде всего, имеются в виду такие показатели, как теплостойкость и твердость.

Классификация

Производимые на данный момент виды углеродистых сплавов классифицируются по целому перечню признаков и параметров. К той или иной категории стали относятся с учетом:

технологии производства;
степени раскисления;
качества (наличия вредных примесей);
сферы применения;
концентрации углерода.

Другими словами, при классификации принимаются во внимание ключевые характеристики сплавов с учетом сферы применения будущих изделий в том числе.

По технологии получения

Суть производства УС сводится к переработке чугунных заготовок. Обязательная составляющая – это максимальное сокращение присутствия вредных примесей. Параллельно обеспечивается необходимое содержание самого углерода. Принимая во внимание методы окисления, выделяют следующие варианты плавки.

При помощи кислородных конвертеров. Технология базируется на продувке расплавленного чугуна. Этот способ отличается высокой производительностью, однако его явный минус заключается в том, что в сплаве остается немалое количество примесей.
Мартеновский. Здесь углерод выжигается как при помощи воздуха, так и благодаря введению руды и ржавых металлических изделий.
Электротермический. Речь идет о применении вакуумных топок и индукционных печей для плавки. В итоге создаются инструментальные сплавы, характеризующиеся высокой жаростойкостью.

Стоит отметить, что последний вариант отличается сравнительно высокой стоимостью обработки.

Исходя из этого, такой метод применяют при технологической необходимости.

Частично сократить затраты позволяет использование специального ковша, разогреваемого в вакуумной емкости.

По уровню раскисления

Делая акцент на данный признак, можно выделить следующие три вида состояния.

Спокойное. Подобные сплавы отличаются однородностью структуры. Раскисляют их введением алюминия, а также ферромарганца и ферросилиция. Такой подход позволяет в полной мере избавиться от закиси железа. Мелкозернистая структура обеспечивается остаточным алюминием. Минус – это сравнительно высокая стоимость выплавки.
Полуспокойное. Этот тип углеродистой стали занимает промежуточное положение с учетом свойств. Главная особенность технологии получения – это введение небольшого объема раскислителей еще перед заливкой в изложницы. В итоге металл твердеет практически без закипания.
Кипящее. Такие сплавы являются более доступными в плане стоимости, но при этом не могут похвастаться высоким качеством. В процессе их получения участвует минимум добавок. Важно учесть и такой фактор, как частично выполненное раскисление. Именно это является причиной присутствия в структуре газов.

По качеству

Сейчас рассматриваемые марки металлов производят с применением разных технологий. Это предсказуемо влияет на свойства материалов, их эксплуатационные показатели и, конечно же, уровень качества. С учетом последнего параметра можно выделить три категории:

качественные стали;
материалы, относящиеся к разряду высококачественных;
УС обыкновенного качества.

В первых двух случаях для получения сплава используются кислородные конвертеры, мартены и более современные образцы техники (электрические плавильные установки). Здесь важно учесть, что, согласно актуальному ГОСТу, к таким металлам предъявляются жесткие требования.

И ключевыми моментами являются наличие и объемы вредных примесей.

Сталь обыкновенного качества выплавляют в мартеновских печах. На завершающем этапе, как правило, формуются большие по размерам слитки. Кстати, в качестве плавильного оборудования нередко используют упомянутые конвертеры. Подобные марки могут иметь сравнительно высокую концентрацию лишних взвесей, что уменьшает стоимость, но ухудшает характеристики продукта.

По сфере использования

Назначение стали представляет собой еще один критерий классификации. И здесь выделяют две основные разновидности сталей.

Также важно отметить существование подгруппы второй разновидности.

Имеется в виду инструментальная сталь высшего качества, в маркировку которой добавляется буква «А».

Здесь главная отличительная черта – это максимальная концентрация углерода.

По наличию и объемам С

Именно доля углерода оказывает определяющее действие на базовые параметры. И здесь ключевая роль отводится твердости стали. Так, чем выше содержание С, тем прочнее будут стальные изделия. Однако важно помнить, что параллельно с объемом углерода будет увеличиваться хрупкость материала. Принимая во внимание рассматриваемые показатели, УС делят на следующие типы.

Низкоуглеродистые (в пределах 0,25%). Материалы с низкой концентрацией C характеризуются пластичностью и сравнительно легко поддаются деформации независимо от температурного режима. Такая сталь подходит для холодной ковки.
Среднеуглеродистые (0,3-0,6%). Эту категорию можно уверенно назвать «золотой серединой» в контексте соотношения прочности, пластичности и текучести, что делает обработку материала максимально легкой. Применяется он преимущественно для создания элементов конструкций, эксплуатируемых в нормальных условиях.
Высокоуглеродистые (0,6-1,4%). Используются для изготовления инструментов с повышенной прочностью, а также различных измерительных приборов.

Естественно, каждый из перечисленных видов имеет более широкую область применения с учетом эксплуатационных свойств сплавов.

Маркировка и марки

Обозначения существующих на сегодня углеродистых сталей регламентируются соответствующими ГОСТами. Так символы «Ст», которые дополняются цифрами (1 и 2 – это количество, умноженное на 10 и 100, соответственно), отображают долю самого углерода. Об обеспечении гарантированного состава и соответствии химических составляющих будут свидетельствовать буквы «Б» и «В».

Пара букв, расположенных в конце, показывают уровень раскисления. Так «пс» и «кп» – это полуспокойное и кипящее состояние, соответственно.

В ситуациях со спокойными металлами символы в обозначениях отсутствуют. Повышенная концентрация марганца будет отмечена буквой «Г».

В ситуациях с маркировкой высококачественных сплавов, применяемых в качестве сырья для изготовления инструментов, будет присутствовать буква «У». Числовой индекс здесь отображает процентное содержание C при десятикратном увеличении. Важно отметить, что число может быть как одно-, так и двухзначным. Отличительной чертой сплавов повышенного качества является наличие в маркировке литеры «А».

Например, обозначение «сталь 45» свидетельствует о том, что в сплаве содержится 0,45% углерода, а концентрация примесей является при этом крайне незначительной. Чтобы понять суть маркировки, можно рассмотреть сталь 09г2с. Расшифровка в данном случае будет иметь следующий вид:

09 – количественная доля углерода, составляющая 0,09%.
Г2 – часть марганца в сплаве, варьирующаяся в диапазоне от 1,3 до 2%.
С – кремний, на долю которого приходится менее 1%, о чем свидетельствует отсутствие цифры.

Применение

УС за счет своих свойств давно нашла широкое применение в самых разных отраслях промышленности и народного хозяйства. Популярность этого сплава сохраняется и в наши дни.

Он и сейчас успешно используется, особенно в машиностроительной области. При этом в своих расчетах конструкторы учитывают, прежде всего, высокое сопротивление нагрузкам, а также хорошие показатели в контексте так называемой усталости металла.

Именно эти характеристики позволяют изготавливать такие важные конструкционные элементы, как:

маховики двигателей;
шатунные корпусы;
зубчатые редукторные передачи;
поршни насосных установок плунжерного типа;
коленвалы.

Стали с повышенной концентрацией C, для которых характерна и увеличенная доля марганца, становятся исходным материалом при производстве пружин, торсионов и рессорных листов. То есть речь идет об изделиях, которые должны соответствовать достаточно высоким стандартам с точки зрения упругости.

Марки инструментальной стали повышенного качества используют в качестве исходного материала для сверл, зенковок и резцов.

На сегодня эксплуатационные характеристики низко- и среднеуглеродистых стальных сплавов позволяют широко использовать их при создании элементов конструкций разной сложности и назначения, включая коммуникационные системы. На специализированных прокатных установках производят:

швеллеры и двутавры;
уголки с разными полками;
трубную продукцию;
профили различной конфигурации, включая изделия, выполняемые по индивидуальным заказам.

Помимо всего изложенного, важно отметить повсеместное использование в подавляющем большинстве промышленных отраслей листового материала разных габаритов, включая толщину, и качества. Знание всех основных параметров УС позволяет использовать их с максимальной эффективностью.

Обработка

Одним из важных параметров любого металла является температура плавления. В ситуациях с обработкой описываемых материалов изначально важно заметить, что плотность углеродистых сталей практически не изменяется при температурных колебаниях в диапазоне от 20 до 900 градусов. Данный показатель составляет 7,7-7,9 г/см3.

Плотность УС аналогична соответствующему показателю железа, и это вполне логично, поскольку оно является основой любой УС.

Внести коррективы в структуру и повлиять на свойства сплава можно путем его термической обработки. И достигают желаемых результатов благодаря нагреву стали с ее последующим охлаждением. Термообработка включает в себя следующие виды воздействия:

закалка;
отжиг;
нормализация;
отпуск.

Главной особенностью закалки является охлаждение разогретого до определенной температуры сплава с достаточно высокой скоростью. В процессе производства на металлургических предприятиях специалисты подбирают этот параметр так, чтобы на выходе был продукт с полноценной мартенситной структурой. Еще один важный момент – это обязательное использование воды, соляных растворов или же специального масла для охлаждения УС при предусмотренных технологией условиях.

Такой прием, как отжиг стали, позволяет получить структуру, практически во всем идентичную равновесной.

Схема реализации процесса является максимально простой и выглядит следующим образом:

разогрев сплава;
выдержка в течение определенного временного промежутка;
охлаждение, которое осуществляется, как правило, вместе с печью, то есть длится достаточно долго.

Отпуск УС – это действенный способ влияния на важные свойства проката. Подобным образом эффективно снимают внутреннее напряжение металла и параллельно повышают его механические показатели. Но важно учитывать, что он является актуальным исключительно для предварительно закаленного материала.

Суть нормализации углеродистых сталей заключается в том, что все этапы термической обработки (нагрев, выдержка и остывание) проходят естественным образом. Подобные манипуляции не являются каким-то особым видом обработки. Нормализацию можно назвать разновидностью закалки и отжига стали.

Всё об углеродистой стали – от состава до применения

Центральное место во всем промышленном материаловедении занимает сталь. С ее помощью успешно решают большинство технических задач. К услугам инженера — огромный диапазон вариантов: начиная от самой простой строительной арматуры и заканчивая хромоникелевой нержавейкой, способной работать в условиях открытого космоса.

Наибольшего внимания заслуживает углеродистая сталь и ее марки. Они лишены значимых легирующих добавок и потому представляют собой исключительно композицию железа и углерода в чистом виде. Познакомиться с углеродистыми сталями поближе — значит понять основополагающие принципы, как ведут себя все сплавы из категории «черных» и от чего зависят их рабочие характеристики.

Классификация и марки

Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные имена — в честь их изобретателей или каких-то особенных свойств. Остальные довольствуются условным обозначением — т.н. маркой, внутри которой зашифрована ключевая информация. Марку можно сравнить с разновидностью, чей состав и структура жестко определены и неизменны.

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя два определяющих параметра: химсостав материала или его функциональное применение. Причем марки, соседствующие в одной группе по первому делению, с большой долей вероятности станут коллегами и при оценке рабочих свойств.

По химическому составу

Ключевым параметром, на который обращают внимание при знакомстве с любой маркой стали, становится процент содержания углерода. Различают три вида:

05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2

25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6

58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13

Низкоуглеродистые стали предназначены преимущественно для изготовления сварных изделий — за счет малой доли углерода они очень податливы к любым процессам сварки, не склонны к образованию флокенов и трещин, легко поддаются механическому резанию и изгибу. В целом, они вязкие и с низкой прочностью.

Термическое упрочнение (закалка, улучшение) не дают ощутимого эффекта по росту прочности или твердости. Зато собственное низкое содержание углерода позволяет применить к материалу особый вид химико-термической обработки — цементацию. Поверхностные слои насыщаются углеродом из внешнего источника, после чего реакция на закалку становится уже совершенно иной. Твердость поверхности зашкаливает, а сердцевина по-прежнему остается мягкой и может работать как гаситель напряжений.

Среднеуглеродистые стали — наиболее ходовые и популярные благодаря своей «серединности» и универсальности. Они лишены недостатков остальных граничных групп и обладают собственными достоинствами.

В частности, такие марки стабильно и уверенно реагируют на закалку, набирая нужную прочность и твердость без дополнительных ухищрений. Но сварку следует вести с осторожностью — увеличенная доза углерода может приводить к развитию трещин при кристаллизации шва.

Их используют для производства деталей машин и механизмов, которые постоянно испытывают рабочие нагрузки. Это разнообразные шестерни, рычаги, колеса, шкивы ременных передач, валы и оси. Углеродистые стали всегда дешевле любых легированных, поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительны, если конечное изделие не испытывает негативного воздействия коррозии, нагрева или охлаждения. Тяжелая работа в обычных условиях — это пример применения таких сплавов.

Высокоуглеродистые стали вообще не рекомендуется варить: они очень склонны к образованию трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне шва. За счет высокой доли углерода на закалку реагируют лучше всех остальных. Результатом становится очень высокая твердость и прочность, вплоть до возникновения пружинящих свойств.

Такие марки закладывают для изготовления специальных деталей машин, пружин различной конфигурации (плоские, витые, тарельчатые), режущего и слесарного инструмента.

По области применения

С учетом химического состава, «круг обязанностей» каждой марки уже предопределен, как и сфера, где ее можно использовать максимально эффективно. Поэтому все углеродистые стали разделили на три категории по области применения:

Категория	Группа	Примеры марок
Конструкционные	Общего назначения	Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст5
	Качественные	05кп, 08кп, 10, 15, 20, 35, 45, 50, 55, 60
	Повышенной обрабатываемости	А11, А20, А30, А35
Инструментальные	-	У8, У10, У11, У12А
Специальные	Рессорно-пружинные	65, 70, 75, 80, 85
	Для строительных конструкций	С235, С285, С590К
	Подшипниковые	ШХ4
	Для крановых рельс	К63

Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей машин и металлоконструкций. Их активно используют во всех сферах промышленности — начиная от металлообработки и заканчивая возведением атомных электростанций.

Среди них выделяют три основных группы:

общего назначения — марки со стандартной степенью очистки от постоянных примесей. Нужно преимущественно для сварных строительных конструкций, корпусных деталей и ненагруженных элементов;
качественные — повышенной степени очистки и с улучшенными механическими свойствами. Применяются для производства деталей машин и крепежа;
повышенной обрабатываемости — с максимально стабильной структурой и постоянством физико-механических свойств по всему объему. Такой материал идет в работу на автоматические линии.

Инструментальные углеродистые стали могут похвастать куда большим содержанием углерода, чем все остальные «родственники» — от 0,66 до 1,35%. Такие сплавы используют для производства:

режущего инструмента — для работ по дереву, пластику, мягким цветным сплавам и незакаленной стали;
мерительного инструмента;
слесарного инструмента;
оснастки для холодной штамповки;
вспомогательной станочной оснастки.

Главное преимущество инструментальных марок — очень сильная реакция на закалку, увеличенная износостойкость, твердость и прочность.

Углеродистая сталь для строительных конструкций идет на массовый выпуск фасонного проката: швеллера, тавровой и двутавровой балки, уголков. В сплавах этого типа заложено мало углерода и ощутимое количество примесей кремния и марганца (до 0,5..0,8%), чтобы обеспечить необходимую вязкость, устойчивость и хорошее восприятие сварочных процессов.

Очень интересна марка ШХ4, случайно попавшая в группу подшипниковых как единственная нелегированная сталь. Ее используют для производства колец железнодорожных подшипников. Содержание углерода там изрядное — в пределах 0,95 до 1,05% — и присутствует щепотка хрома — 0,35..0,5%.

Марку К63 (или просто 63) применяют исключительно для горячей прокатки специального сортамента — рельс крановых путей. Этот сплав обеспечивает необходимый баланс между прочностью, износостойкостью и стрессоустойчивостью. Материал постоянно работает с высокими нагрузками и фрикционным износом от катания колес.

Свойства углеродистых сталей

При рассмотрении той или иной марки, инженера интересует химический состав не сам по себе, а как прямое указание на возможные физико-механические свойства. А те, в свою очередь, отражают диапазон функций, которые характерны для материала.

И с оглядкой на такую взаимосвязь можно сделать утверждение, что каждая марка углеродистой стали по-своему уникальна, потому что обладает собственным, неповторимым набором характеристик.

Прочностные характеристики

Первым параметром, на который ориентируются при проектировании любой конструкции, становится умение материала сопротивляться действующим нагрузкам. Это комплексная характеристика, в которую войдут:

предел прочности — размер силовой нагрузки, при которой металл разрушается;
предел текучести — размер силовой нагрузки, при которой металл начинает деформироваться;
ударная вязкость — способность сопротивляться внезапным силовым воздействиям;
относительное удлинение при разрыве — насколько металл будет удлиняться перед тем, как окончательно «порваться» под действием радикальной силовой нагрузки, превышающей предел прочности;
твердость — способность сопротивляться внедрению иного твердого тела.

Все эти показатели тесно связаны между собой. И по их оценке можно легко предсказать, как материал поведет себя в работе.

Связь между отдельными механическими характеристиками сплава не всегда прямая. Например, предел прочности всегда в 1,7..2,2 раза больше предела текучести. Зато, чем выше предел прочности сплава — тем зачастую меньшую величину относительного удлинения при разрыве он покажет.

Механические характеристики углеродистых сталей растут вместе с содержанием углерода. Этот элемент — главный признак всех возможностей сплава.

Ниже в таблице приведены ориентировочные показатели разных категорий сталей в «сыром» состоянии.

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:

водороду;
азоту;
кислороду;
кремнию;
марганцу;
фосфору;
сере.

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:

кипящие;
полуспокойные;
спокойные.

Содержание углерода делит сталь на 3 категории:

заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
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:

низкоуглеродистая (до 0,29 %);
среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
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.

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.

Углеродистые и нержавеющие стали: чем они различаются и где используются

Оба вида сталей – углеродистые и нержавеющие – востребованы в различных отраслях. В этой статье мы рассмотрим, какие у них есть различия в характеристиках и сфере применения.

Особенности углеродистых сталей

Такие материалы представляют собой сплавы на основе железа с содержанием ряда примесей. Некоторые из них относят к полезным. Например, марганец повышает твердость, износоустойчивость и ударную прочность, а углерод – прочность и упругость. Другие считают вредными. Так, сера повышает хрупкость материалов при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость, а фосфор отрицательно влияет на показатели прочности, коррозионной стойкости и пластичности.

Основная примесь в углеродистых сталях, как понятно из названия, – углерод. От его содержания зависит деление материалов на несколько видов:

Если углерода в стали не более 0,25 %, ее относят к низкоуглеродистой. Она подходит для изготовления деталей, не эксплуатирующихся при высоких нагрузках.
При содержании углерода от 0,25 до 0,6 % – к среднеуглеродистой. Такая сталь востребована в общем и транспортном машиностроении.
Если углерода в стали не более 0,65 %, ее относят к высокоуглеродистой. Она оптимальна для изготовления ударно-штампового или измерительного инструмента, а также деталей с высокой износостойкостью.

С увеличением содержания углерода повышается прочность и твердость стали, но ухудшается ее пластичность. При преодолении рубежа в 1 % прочность снова начинает снижаться.

Содержание серы и фосфора тоже заметно влияет на характеристики металла. Чем их меньше, тем качественней считается сталь. Ее принято классифицировать следующим образом:

Если серы в материале не больше 0,06 %, а фосфора не больше 0,07 %, его относят к стали обычного качества.
При содержании серы и фосфора не больше 0,035 % материал считают качественным.
Если серы и фосфора в стали не больше 0,025 %, ее относят к высококачественной.
При содержании серы не больше 0,015 % и фосфора не больше 0,025 % материал считают особо высококачественным.

Где применяют углеродистые стали

По назначению такие материалы делят на инструментальные, конструкционные и стали общего назначения. Первые используют для изготовления ударно-штампового или измерительного инструмента. Вторые применяют в строительстве и машиностроении для изготовления деталей для различного оборудования, элементов строительных конструкций, крепежных деталей и другого.

Стали общего назначения востребованы при изготовлении резервуаров, труб, заклепок и прочих изделий, для которых важна пластичность (для этого используют стали марок Ст1 или Ст2). Также их используют для получения горячекатаного фасонного и листового проката, для которого важна легкость обработки и хорошая свариваемость (для этого применяют стали марок Ст3 или Ст5).

Углеродистые стали используют в машиностроении для изготовления различных деталей

Особенности нержавеющих сталей

При выплавке нержавеющей стали в нее добавляют легирующие элементы: хром, никель, марганец и другие. Их количество зависит от свойств, которые нужно получить. Главное из них – коррозионная стойкость.

Нержавеющие стали делят на две группы. К первой относятся хромистые материалы с содержанием хрома до 14 %. Их яркие отличительные свойства – высокая твердость и прочность, устойчивость к воздействию агрессивных веществ (щелочей, кислот, морской воды). Ко второй группе относятся хромоникелевые стали. Для них характерна меньшая прочность, но высокая пластичность, хорошая свариваемость и возможность обработки штамповкой.

Также производители изготавливают нержавеющие стали специального назначения. Они отличаются повышенной окалиностойкостью, износоустойчивостью при работе в высокотемпературных средах, способностью работать при перепадах давления и прочими свойствами.

экологичность;
легкость обработки;
способность выдерживать ударные нагрузки;
пластичность;
способность служить до 50 лет.

Где применяют нержавеющие стали

Нержавеющие стали востребованы при изготовлении:

трубопроводов или отводов для газов;
кожухов коллекторов;
хирургических и стоматологических инструментов;
кухонной утвари, эскалаторов или элементов тюнинга автомобилей;
агрегатов для хранения азота и сосудов для хранения кислот.

Нержавеющая сталь – важнейший материал для изготовления хирургических инструментов

Заключение

По этому краткому обзору можно сделать следующий вывод: нержавеющие стали следует отнести к узкоспециализированным материалам, которые используют тогда, когда важна устойчивость к воздействию влаги и агрессивных веществ. По этому параметру углеродистые стали не могут конкурировать с нержавеющими, но у них намного более широкая сфера применения.

Читайте также: