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
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.
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.
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.
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.
Образование цементита при нагреве высокоуглеродистой стали
Для примера рассмотрим высокоуглеродистую сталь с содержанием 0,95 % углерода. Если эту сталь нагреть до 760 ºС, то ее точкой на фазовой диаграмме рисунка 1 будет белый кружок с проходящими через него горизонтальными стрелками. Поскольку эта точка лежит в двухфазной области γ + Acm, то сталь должна состоять из смеси аустенита состава О (0,85 % углерода) и цементита (0,67 % углерода). Диаграмма не дает вида микроструктуры, но эксперименты показывают, что она выглядит так, как показано внизу рисунка 1. Весь цементит находится в виде мелких сферических зерен, которые случайным образом распределены по аустенитным зернам. Размеры зерен аустенита значительно больше, чем зерен цементита. Зерна аустенита имеют четкие границы.
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 %).
Стали углеродистые качественные конструкционные
Являются основным металлом для изготовления деталей машин (валов, шпинделей, осей, зубчатых колес, шпонок, муфт, фланцев, фрикционных дисков, винтов, гайек, упоров, тяг, цилиндров гидроприводов, эксцентриков, звездочек цепных передач и др.), которые при взаимодействии в работающей машине воспринимают и передают различные по величине нагрузки. Эти металлы хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке.
Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.
Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной
| Марка | Механические свойства | Физические свойства | Технологические свойства | ||||||||||
| σт | σв | δ, % | ан Дж/см2 | НВ | γ, г/см3 | λ, Вт/(м ·°С) | α·106 ,1/°С | обрабаты- ваемость резанием | сварива- емость | интервал температур ковки,°С | пластичность при холодной обработке | *горяче- катаная **отож- женная | |
| МПа | |||||||||||||
| 08 | 196 | 324 | 33 | — | 126 | 7,83 | 811 | 11,6 | В | ВВ | 800-1300 | ВВ | * |
| 10 | 206 | 321 | 31 | — | 140 | 7,83 | 811 | 11,6 | В | ВВ | 800-1300 | ВВ | * |
| 15 | 225 | 373 | 27 | — | 145 | 7,82 | 770 | 11,9 | В | ВВ | 800-1250 | ВВ | * |
| 20 | 245 | 412 | 25 | — | 159 | 7,82 | 770 | 11,1 | В | ВВ | 800-1280 | В | * |
| 25 | 274 | 451 | 23 | 88 | 166 | 7,82 | 732 | 11,1 | В | ВВ | 800-1280 | В | * |
| 30 | 294 | 490 | 21 | 78 | 175 | 7,817 | 732 | 12,6 | В | В | 800-1250 | В | * |
| 35 | 314 | 529 | 20 | 69 | 203 | 7,817 | 732 | 11,09 | В | В | 800-1250 | В | * |
| 40 | 321 | 568 | 19 | 59 | 183 | 7,815 | 596 | 12,4 | В | У | 800-1250 | У | ** |
| 45 | 363 | 598 | 16 | 49 | 193 | 7,814 | 680 | 11,649 | В | У | 800-1250 | У | ** |
| 50 | 373 | 627 | 14 | 38 | 203 | 7,811 | 680 | 12,0 | У | У | 800-1250 | У | ** |
| 55 | 382 | 647 | 13 | — | 212 | 7,82 | 680 | 11,0 | У | Н | 800-1250 | Н | ** |
| 60 | 402 | 676 | 12 | — | 224 | 7,80 | 680 | 11,1 | У | Н | 800-1240 | Н | ** |
| Примечание. Н — низкая, У — удовлетворительная, В — высокая, ВВ — весьма высокая. | |||||||||||||
Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).
Обозначение марки стали составляют из слова «Сталь» и двузначной цифры, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода — 0,220,30 %), Сталь 60-0,60 % (допустимое количество -0,57-0,65%). Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора — не более 0,035%.
Основные свойства углеродистой качественной конструкционной стали приведены в табл. 3, основное назначение — в табл. 4. Цвета маркировки приведены в табл. 5.
Таблица 4. Стали углеродистые качественные конструкционные, их основное назначение
| Марка стали | Основное назначение |
| Сталь 08кп, 10 | Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж, колпачки. Цементируемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины (втулки, валики, упоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски) |
| Сталь 15, 20 | Малонагруженные детали (валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни). Тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, крюки, траверсы, вкладыши, болты, стяжки и др. |
| Сталь 30, 35 | Детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звездочки, тяги, траверсы, рычаги, диски, валы) |
| Сталь 40, 45 | Детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки, прокатные валики и др.) |
| Сталь 50, 55 | Зубчатые колеса, прокатные валики, штоки, бандажи, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры и др. Применяют после закалки с высоким отпуском и в нормализованном состоянии |
| Сталь 60 | Детали с высокими прочностными и упругими свойствами (прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов). Применяют после закалки или после нормализации (крупные детали) |
Таблица 5. Цвета маркировки стали углеродистой качественной
| Группа | Цвет краски |
| Сталь 08, 10, 15, 20 | Белый |
| Сталь 25, 30, 35, 40 | Белый и желтый |
| Сталь 45, 50, 55, 60 | Белый и коричневый |
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.
Фазовая диаграмма для заэвтектоидных сталей
На рисунке 1 представлена фазовая диаграмма железо-углерод, включающая часть с высоким содержанием углерода – для заэвтектоидных – высокоуглеродистых – сталей. Цементит здесь играет важную роль.
Рисунок 1 – Фазовая диаграмма железо-углерод, включающая участок заэвтектоидных (высокоуглеродистых) сталей (содержание углерода более 0,77 %)
Область существования аустенита показана в виде темной центральной области. Поскольку цементит существует только в одном химическом составе, он показан на диаграмме в виде вертикальной линии при содержании углерода 6,7 %.
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.
Производственные методы и варианты деления по качеству
Получение углеродистых сталей основано на переработке чугуна и черного лома с уменьшением серы, фосфора и углерода до нужной концентрации. При этом используют различные технологии, которые отражаются на качестве производимого металла. В результате получают стальные сплавы следующих видов:
- высококачественные;
- качественные;
- обыкновенного качества.
Первые два типа углеродистых сталей производят с применением конвертеров, мартеновских и более современных электрических плавильных печей. Химический состав таких сталей, концентрация содержащихся примесей строго регулируется ГОСТами 1435–99 и 1050–88. Так, для качественных стальных сплавов можно использовать серу в количестве не более 0,04%, фосфор — не больше 0,035%, для высококачественных соответственно — менее 0,018 % и не больше 0,025 %. Углеродистые стали этих категорий имеют структуру повышенной чистоты.
Выплавку стальных сплавов обыкновенного качества осуществляют на базе кислородных конвертеров и мартенов, затем из них формируют большие слитки. В сравнении с предыдущими двумя категориями, углеродистые стали, обладающие обыкновенным качеством, характеризуются содержанием большого количества вредных примесей. Согласно ГОСТу 380–2005 серы в них содержится до 0,05%, фосфора — до 0,04%. Такой материал подвергают горячей, холодной прокатке с целью выпуска тонко-, толстолистового материала, широких металлических полос.
Цель термической обработки стали – изменение ее микроструктуры
Нельзя не видеть значительного отличия микроструктуры на рисунке 2 от той, которая показана на рисунке 1 – после нагрева стали от комнатной температуры до 760 ºС. Отметим, что обе микроструктуры содержат одно и то же количество цементита и аустенита, но распределение цементита совершенно различно.
В отличие от аустенита и феррита цементит является очень хрупким. Поэтому сталь с микроструктурой, что на рисунке 2, со связанными между собой цементитными пластинами будет не такой вязкой и пластичной как сталь с микроструктурой на рисунке 1 с мелкими, изолированными цементитными зернами. Эти цементитные зерна дают стали хорошие режущие свойства. Из таких сталей изготавливают, например, опасные бритвы.
Это хороший пример того, как термическая обработка стали — не только высокоуглеродистой — может менять ее микроструктуру и, следовательно, ее механические свойства.
Заметим, микроструктуры, которые показаны на рисунках 1 и 2 существуют только при высокой температуре 760 ºС, а не при комнатной температуре. Фазы и микроструктуры при комнатной температуре – в отдельной статье.
