Углеродистая сталь — классификация, маркировка и применение

Что собой представляют углеродистые стали

Углеродистые стали представляют собой сплав железа, в котором содержание углерода до 0,6%. Количество серы и фосфора зависит от качества металла. Легирующие элементы присутствуют в незначительном количестве. Качественные характеристики зависят от количества углерода, серы, фосфора, марганца и кремния.

• твердость;
• свариваемость;
• прочность;
• вязкость;
• упругость.

Чем больше углерода, тем выше твердость, хрупкость и хуже свариваемость.

Использование стали

Углеродистая сталь различных марок используется для изготовления конструкций во многих отраслях. В зависимости от области применения продукции, используются определенные марки.

Обычного качества

Количество посторонних примесей, находящихся в готовой продукции, регламентировано ГОСТ 380-2005. Углеродистая сталь обычного качества используется для производства:

• Ст0 – обшивки, арматуры и т. д.;
• Ст1 – швеллеров, тавровых и двутавровых балок. Отличается низкой твердостью, но хорошей вязкостью;
• Ст2 – частей неответственных конструкций. Является высокопластичным материалом;
• Ст3 – металлопроката, применяемого для возведения строительных конструкций, кузова, дисков автомобильной техники и т. п.;
• Ст5 – болтов, гаек, рычагов, пальцев, осей и т. д.;
• Ст6 – деталей повышенной прочности для деревообрабатывающих и металлообрабатывающих станков.

Качественная

Из марок качественной стали изготавливают:

Применение углеродистой стали

• Трубы и детали, которые применимы в котлостроении.
• Изделия с высокой пластичностью – болты, гайки и др.
• Детали, предназначенные для создания свариваемых конструкций.
• Различного рода патрубки, пальцы, оси.
• Шестерни, муфты сцепления грузовых автомобилей, автобусов и другой техники.
• Пружинные шайбы, кольца.

Инструментальная

Углеродистые инструментальные стали разных марок имеют повышенную прочность, и большой показатель ударной вязкости. Они применяются для создания всевозможных инструментов и сменных элементов. При производстве изделия подвергаются многократному воздействию высокой температуры, что улучшает их физические свойства. Изделия устойчивы к быстрому изменению температуры, и имеют высокую устойчивость к коррозии.

Общие характеристики

Углеродистая сталь делится на 3 группы по требованиям к химическому составу и механическим свойствам. Обозначение буквенное. Определяющим для группы является:

• А — механические свойства;
• Б — химический состав;
• В — строго выдерживается химсостав и основные механические свойства.

Сплавы группы В проверяются на химию, и во время разлива с ковша берется образец для проверки механических характеристик — предел прочности на растяжение и изгиб, ударная вязкость. Твердость регулируется термообработкой.

Упрочнение [ править ]

Основная статья: Поверхностное упрочнение

Процессы поверхностного упрочнения упрочняют только внешнюю часть стальной детали, создавая твердую износостойкую оболочку («корпус»), но сохраняя жесткую и пластичную внутреннюю часть. Углеродистые стали не очень упрочняемый означает , что они не могут быть закалены в течение толстых секций. Легированные стали обладают лучшей способностью к закалке, поэтому они могут подвергаться сквозной закалке и не требуют упрочнения. Это свойство углеродистой стали может быть полезным, поскольку оно придает поверхности хорошие характеристики износостойкости, но оставляет сердечник гибким и амортизирующим.

Состав химических элементов

Основной элемент — железо. Отношение к группе определяется количеством углерода. Содержание неметаллических включений фосфора и серы ухудшает механические качества. Они способствуют красноломкости и хладоломкости, образованию трещин в горячем и холодном металле.

Коррозионная устойчивость обеспечивается низким содержанием углерода и добавлением хрома. Количество химических элементов в углеродистой стали марганца и кремния зависит от способа раскисления и класса качества. Марганец может присутствовать в пределах 1,2% в сплавах нормального качества, до 1,8% в высококачественных. Содержание кремния не превышает 0,3%.

Высококачественные стали группы В проверяют по свойствам и химическому составу. Допустимое количество неметаллических включений — 0,03–0,0018%.

От количества углерода зависит твердость стали, ее способность к закалке и свариванию.

Чем ниже показатель углерода, тем лучше варится металл. Ст 40Х требует подогрева перед сваркой, Ст 6 — нагрева до 700⁰ и послесварочного отпуска. Прокаливаемость наоборот. До Ст4 сплавы не калятся, не изменяют свою твердость. Сталь 40х может потрескаться при резком охлаждении в воде.

Нагрев стали

Конструкционные стали и сплавы для низких температур

4. СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Наряду с низколегированными сталями при низких темпе­ратурах для несварных деталей широко используют среднелегированные хромоникелевые конструкционные стали с добавками вольфрама, молибдена, ванадия. К ним отно­сятся стали типа 30ХН2МФА, 38ХНЗМА, 38ХНЗМФА, 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА), 12ХНЗМА, содержащие 0,1— 0,4 % С и от 1,5 до 4 % №. Для повышения вязкости при низких температурах стали подвергают термообработке, состоящей из закалки и высокого отпуска. Структура ста­лей после операции улучшения представляет собой диспер­сный сорбит. Сталь 12ХНЗА применяют для цементуемых и цианируемых деталей, где требуется повышенная проч­ность, поверхностная твердость в сочетании с вязкой серд­цевиной. Из нее изготовляют также корпуса клапанов, ци­линдры поршневых детандеров, детали арматуры и насо­сов. Сталь 18Х2Н4МА применяют для изготовления ответственных высоконагруженных деталей, работающих при статических, циклических и динамических нагрузках с температурой эксплуатации 200—670 К (шпилек, подвесок, осей, валов турбодетандеров и др.). В табл. 13 приведены механические свойства сталей этого класса Оценка статической прочности стали 30ХН2МФА, про­веденная на прутковом металле диаметром 20—60 мм, по­казывает (табл. 13), что после закалки с 860 °С в масло и отпуска при 680 °С в течение 1,5 ч с охлаждением на возду­хе сталь сохраняет высокую пластичность до 77 К.

В стали 38ХНЗМА по сравнению со сталью 30ХН2МФА при большем содержании никеля заметно выше содержа­ние углерода, что и приводит к менее благоприятному вли­янию надреза на пластичность. При прочих рав­ных условиях температурный уровень применения стали 38ХНЗМА должен быть выше, чем для сталей 30ХН2МФА и 18Х2Н4ВА. Наибольшую пластичность при низких тем­пературах имеет сталь 18Х2Н4ВА. Следует отметить, что низкотемпературный отпуск, обеспечивая высокий уровень твердости (НКС>40), вызывает необходимость примене­ния инструмента с повышенными режущими свойствами, поэтому на практике такой режим применяется относи­тельно редко. Отпуск при 560 °С, обеспечивая высокие зна­чения ударной вязкости при температурах 293 К, дает ча­сто большой разброс по ударной вязкости при 77 К. В свя­зи с этим предпочтителен отпуск при 620—650 °С в случае эксплуатации детали при температурах до 77 К.

Данные по гладким образцам, с одним кольцевым над­резом, с нарезанной резьбой по всей длине, а также по имитаторам шпилек (рис. 54) приведены в табл. 15 (в знаменателе приведены результаты испытаний образцов с перекосом 5°).

Для сравнения удлинения резьбовых образцов и шпи­лек при разрушении определяли по диаграмме испыта­тельной машины их полное удлинение Д, имея в виду, что общая рабочая длина образцов, включая высоту ввинчива­ния, во всех случаях была равна 50 мм. Профиль надреза и резьбы проверяли до и после испытаний.

Анализ данных, приведенных в табл. 15, показывает, что сталь 38ХНЗМА имеет малую пластичность при дефор­мации в жидком азоте в случае наличия резьбы (резьбовой образец и шпилька). При этом четко просматривается от­рицательное влияние перекоса. В случае перехода к изго­товлению образца шпильки с центральной проточкой, когда действие концентраторов сведено к минимуму, металл име­ет удовлетворительную пластичность. При наличии такой проточки разрушающая нагрузка снизилась на 20 % при росте относительного сужения вдвое при 293 К и в шесть раз при 77 К.

Сталь 38ХНЗМА в термически обработанном состоянии может быть рекомендована к применению при температу­рах до 170 К. Сталь 18Х2Н4ВА даже при неблагоприятной форме крепежа обладает при 77 К удовлетворительной пластичностью и мало чувствительна к перекосу. Однако для ответственных шпилек целесообразно применять про­точку центральной зоны до диаметра, меньшего на 0,3— 0,5 мм внутреннего диаметра резьбы. В случае примене­ния прутка для деталей диаметром более 60 мм минималь­ная температура применения стали должна быть повыше­на. Анализ поведения стали 18Х2Н4ВА в случае ее эксплу­атации в жидком азоте не выявил отрицательного влияния длительного нагружения (в опытах от 250 до 1500 ч) на механические свойства; остаточная деформация не превы­шала 0,02 %. Оценка релаксационной стойкости стали 18Х2Н4ВА при выдержке в жидком азоте под напряжени­ем 450 и 320 МПа продолжительностью до 450 ч показала, что в первые часы напряжение падает до 420 и 300 МПа соответственно, оставаясь далее неизменными в течение эксперимента.

5. МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ

Отличительной особенностью мартенситно-стареющих ста­лей является получение при закалке практически безугле­родистого мартенсита и его последующее старение при температуре около 500 °С, сопровождающееся выделением интерметаллидных фаз, что обеспечивает сочетание высо­ких прочностных свойств с достаточной пластичностью и вязкостью. После термообработки их временное сопротив­ление при комнатной температуре составляет не более 1800 МПа, предел текучести 1500 МПа при относительном сужении 40 % и ударной вязкости на образцах первого ти­па 0,6 МДж/м2. Опасность хрупких разрушений мартен­ситно-стареющих сталей в отличие от других высокопроч­ных конструкционных сталей уменьшается благодаря вы­сокому содержанию никеля и низкому углерода (не более 0,03%). Высокое содержание легирующих элементов и низкая концентрация углерода предотвращают образова­ние немартенситных продуктов превращения аустенита не­зависимо от скорости охлаждения при закалке. В стали

03Н18К9М5Т мартенситное превращение начинается при комнатной температуре. Безуглеродистый мартенсит за­калки имеет невысокую прочность, но обладает очень вы­сокой пластичностью. В закаленном состоянии сталь хоро­шо обрабатывается давлением и резанием.

Снижение температуры испытания от комнатной до 77 К приводит к увеличению предела текучести стали 03Н18К9М5Т от 1750 до 2250 МПа при удлинении 6 %; вязкость разрушения при этом уменьшается более чем в 2 раза [98]. Сохранение высокой вязкости стали при низ­ких температурах достигается благодаря наличию в струк­туре после закалки достаточных количеств остаточного стабильного аустенита. Введение хрома в мартенситно-стареющую сталь снижает склонность к общей коррозии и коррозии под напряжением.

Одной из первых отечественных мартенситно-стареющих нержавеющих сталей на Fe—Сr—Ni основе являет­ся сталь 08Х15Н5Д2Т (табл. 16), разработанная Я. М. По-таком и Ю. Ф. Оржеховским [99]. После закалки сталь имеет структуру мартенсита и около 10 % остаточного аус­тенита. Ее временное сопротивление после закалки 870 °С, обработки холодом и старения при 450 °С составляет более 1300 МПа. Старение стали в нагартованном состоянии по­вышает временное сопротивление до 1400 МПа. При повы­шении температуры старения до 600—640 °С, соответству­ющей обратному а-у-превращению, происходит образова­ние стабильного аустенита. Его стабилизация связана с обогащением аустенита никелем и понижением в результа­те этого температуры мартенситного превращения. Однако старение при 600—640 °С существенно снижает прочность стали.

Сталь 03Х11Н10М2Т после упрочнения имеет высокие значения прочности (0В более 1500 МПа) в сочетании с до­статочной пластичностью. Однако при такой прочности она не пригодна для использования при криогенных темпера­турах. В закаленном состоянии временное сопротивление стали составляет около 1000 МПа, но сталь сохраняет вы­сокие значения пластичности и вязкости, малую чувстви­тельность к трещине при температурах до 20 К. Сталь 03Х11Н8М2Ф рекомендуется для сварных и пая­ных конструкций без термической обработки после сварки, работающих в диапазоне температур 673—77 К. После за­калки сталь имеет мартенситную структуру и остаточный аустенит в количестве 15—17

Сварные соединения обладают повышенными вязкими свойствами при температурах 293 и 77 К: величина КСУ составляет соответственно 1,0 и 0,64 МДж/м2. Применение аустенитной проволоки Св-03Х20Н18Г10АМ4 повышает вязкие свойства металла шва, особенно при 20 К. После термической обработки, имитирующей режим пайки: 1020 °С в течение 20 мин, величина КСУ сварного шва при 20 К составляет 0,44 МДж/м2. Сталь обеспечивает высокую герметичность узлов, стабильность их линейных размеров, удовлетворительную технологичность при сварке плавле­нием, обладает высоким сопротивлением хрупкому разру­шению при криогенных температурах.

Высокопрочные нержавеющие мартенситно-стареющие хромоникелевые стали, дополнительно легированные ко­бальтом, обладают особым сочетанием свойств, которое не достигается на сталях других классов. Влияние кобальта на механические свойства мартенситно-стареющих сталей обусловлено его участием в процессе старения за счет об­разования сложных многокомпонентных соединений Со— Ni—Мо , частицы которых когерентно связаны с кри­сталлической решеткой матрицы [102]. Кобальт, как и ни­кель, уменьшает растворимость молибдена и вольфрама в а-железе и поэтому способствует упрочнению при старении. Он задерживает процесс разупрочнения, уменьшая ско­рость коагуляции высокодисперсных фаз, и повышает устойчивость структуры сталей к перестариванию [103]. Содержание кобальта в высокопрочных сталях колеблется в довольно широких пределах. Для каждой конкретной си­стемы легирования целесообразно определение рациональ­ного содержания кобальта.

Классификация по степени раскисления

По степени раскисления углеродистые сплавы делятся на такие типы:

• кипящие;
• спокойные;
• полуспокойные.

Кипящие сплавы обыкновенного качества сразу после внесения раскислителя выпускаются из печи. В отдельных случаях раскисление производится в ковше. В результате в под коркой образуется много воздушных пузырьков.

У инструментальных сплавов реакция раскисления начинается до разлива и полностью заканчивается при заливке в ковш.

Кипящие стали используют для производства слитков, слябов и блюмсов — проката крупного сечения. В дальнейшем происходит переплавка их на высококачественный металл в электрических печах или переделка на прокат меньшего диаметра — круг, квадрат. Воздух в процессе переработки выходит, зерно вытягивается вдоль, увеличивая механические свойства стали. Полуспокойные стали отличаются повышенной ковкостью.

Исключения в обозначениях

Качественные стали имеют некоторые исключения в обозначениях. К ним относятся:

Качественные углеродистой стали

• 15К, 20К, 22К – применяются в строении котлов;
• 20-ПВ – имеет в своем составе 0.2 процента углерода и медь с хромом. Из нее выполняются трубы для систем отопления;
• ОсВ – содержит добавки никеля, хрома и меди. Из нее изготавливают оси железнодорожных вагонов;
• А75, АСУ10Е, АУ10Е – применима для деталей в часовых механизмах.

Из вышеперечисленного следует, что перед использованием изделия из углеродистой стали необходимо обратить внимание на его маркировку. Так можно определить его физико-химические свойства и область предназначения. Зная значение маркировки металлической продукции, не возникнет трудностей при подборе конкретного вида для любых целей.

Методы производства и различия по качеству

По методам производства сплавы делятся на три типа:

• мартеновские;
• конвекторные;
• в электропечах.

Способ производства и разделение по качеству указывается в сертификате на металл и может обозначаться буквенно в конце маркировки. Например, ВД — электродуговой переплав, Ш — шлаковый переплав.

Мартеновские с наиболее низким качеством идет на переделку и прокат группы А. В электропечах производится сплав высокого и очень высокого качества.

Гарантия на печи из стали Inox и Carbon

TMF стал первым производителем печей в России, предоставившим гарантию на банные печи из жаростойкой стали Inox — 3 года. На печи из конструкционной стали Carbon действует стандартная гарантия — 1 год.

Гарантия распространяется не только на целостность металла, но и сварных швов топки, а ведь именно швы являются «больным местом» многих производителей. Естественно, гарантия действует при соблюдении правил эксплуатации, изложенных в инструкции к каждой банной и отопительной печи TMF.

Особенности маркировки

Маркировка углеродистых сталей имеет буквенно-цифровое значение и на торце проката обозначается определенным цветом. Ст в начале означает нормальное качество. Затем идет цифра, указывающая количество углерода и способ раскисления.

Для материала с повышенным качеством обозначение начинается со слова Сталь, затем углерод в сотых долях и буквенное обозначение легирующих элементов.

Высококачественные обозначаются в конце буквой А. Специальные, высокоуглеродистые, инструментальные — У, быстрорежущие — Р.

Маркированная углеродистая сталь

Ссылки [ править ]

1. ^ a b c d e f g «Классификация углеродистых и низколегированных сталей»
2. Ноулз, Питер Реджинальд (1987), Проектирование стальных конструкций (2-е изд.), Тейлор и Фрэнсис, стр. 1, ISBN 978-0-903384-59-9.
3. Страница «Инженерные основы» по низкоуглеродистой стали
4. Elert, Гленн, плотность стали , получены 23 апреля 2009.
5. Модуль упругости, прочностные свойства металлов — железо и сталь , извлечено 23 апреля 2009 г..
6. ДеГармо, стр. 377.
7. «Малоуглеродистые стали» . эфунда . Проверено 25 мая 2012 года .
8. «Какие бывают типы стали? | Блог о представителях металла» . Металлические экспоненты
   . 18 августа 2022 . Проверено 29 января 2022 года .
9. Ameristeel статья на углеродистую сталь архивной 18 октября 2006 в Wayback Machine
10. ↑
    Нисимура, Наоя; Мурасе, Кацухико; Ито, Тошихиро; Ватанабэ, Такеру; Новак, Роман (2012). «Ультразвуковое обнаружение откольных повреждений при низкоскоростном многократном ударе» .
    Центральноевропейский инженерный журнал
    .
    2
    (4): 650–655. Bibcode : 2012CEJE …. 2..650N . DOI : 10,2478 / s13531-012-0013-5 .
11. Страница «Инженерные основы» по среднеуглеродистой стали
12. Страница «Инженерные основы» высокоуглеродистой стали
13. Смит, стр. 388
14. Альваренг HD, Ван де Путта Т, Ван Steenberge N, Sietsma Дж, Terryn Н (октябрь 2014). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания C-Mn сталей». Metall Mater Trans
    .
    46
    : 123–133. Bibcode : 2015MMTA … 46..123A . DOI : 10.1007 / s11661-014-2600-у .
15. Смит, стр. 386
16. Смит, стр. 386-387
17. Смит, стр. 373-377
18. Смит, стр. 389-390
19. Перейти ↑
    Smith, pp. 387–388
20. Смит, стр. 391
21. Брэди, Джордж S .; Clauser, Henry R .; Ваккари А., Джон (1997). Справочник по материалам (14-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-007084-9.

Как расшифровать маркировку сталей

Марку углеродистой стали и группу ее качества можно определить по типу маркировки. Каждая цифра и буква имеет свое значение и показывает требования к качеству, степень раскисления, наличие легирующих элементов.

Например, для сплава обычного качества:

• Ст 2 кп — нормального качества с содержанием углерода 0,09–0,15%, кипящая, марганца 0,25 — 0,50%, кремния менее 0,05%;
• Ст3Г пс — содержание углерода в пределах 0,14–0,22%, полуспокойная, марганца в пределах 0,80–1,1%, кремния не более 0,15%.

Углеродистые стали повышенного качества маркируются цифрами (содержание углерода в сотых долях) и буквами (легирующий элемент). Например:

• 45 — 0,45% углерод;
• 40ХН — углерода 0,4%, хрома и никеля менее 2%.

Расшифровка высокоуглеродистых марок имеет букву, указывающую тип материала, его применение и цифру — процент углерода в десятых долях. Инструментальные сплавы имеют обозначение У. Например:

• У8 — инструментальная, 0,8% углерода;
• У12 — содержание углерода 1,2%.

Химический состав более точно можно определить по таблице в справочнике металлурга.

Прокат на торце маркируется цветной полосой:

• красный — Ст3;
• желтый — Ст2;
• зеленый — СТ5;
• синий — Ст6.

Для каждого типа стали имеется своя маркировка. Легированные могут содержать до 3 цветных полос.

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Тип 1.1 Низкоуглеродистая или низкоуглеродистая сталь 1.1.1 Высокопрочная сталь

Какие фирмы занимаются производством углеродистой стали

Крупнейшим производителем углеродистой стали является металлургический комбинат полного цикла Мечел. Он объединяет несколько крупных заводов, начиная от производства кокса и заканчивая различным прокатом. Кроме этого прокат производят металлургические комбинаты:

• «Челябинский»;
• «Украинская кузница» — Челябинская область;
• «Ижсталь» — Удмуртия;
• Белорецкий меткомбинат — Башкортостан.

Металлургическая промышленность по производству черного металла располагается поближе к месторождениям железной руды и угля. Для заводов цветного литья важнее источники электроэнергии.