О стали

Углеродистая сталь, ГОСТ, марки, свойства, типы, качества. Углеродистая сталь – высокая прочность

Углеродистая сталь марки

Углеродистая сталь марки которой имеют большое разнообразие. Согласно ГОСТ 1435-99 металлургическая промышленность выпускает следующие марки инструментальной углеродистой стали:

• У7;
• У7А;
• У8;
• У8А;
• У9А;
• У10;
• У11;
• УНА;
• У12;
• У12А;
• У13;
• У13А.

Буква У обращает внимание что сталь углеродистая. Обозначение буквы А, в конце марки, означает группу высококачественной стали с более чистым наличием серы и фосфора. Цифры в обозначении показывают процентное содержание углерода в сплаве, численное выражение которого для удобства умножено на 10. Отсутствие буквы А означает качественную сталь. Цифра указывает содержание углерода, среднее, Г- показывает на высокое наличие марганца.

Углеродистая сталь марки имеют малую стоимость и большую твердость и этим отличается от других инструментальных сталей. Износостойкость этих марок и теплостойкость низкая. Углеродистая сталь марки У7, У7А успешно используют для деревообрабатывающих инструментов — топоров, стамесок, долот, также инструментов по металлу — зубила, кузнечные штампы, слесарные инструменты, молотки, кувалды, отвертки, кусачки и др. Марки У8, У8А, У8Г, У8ГА используют для изготовления таких инструментов, которые очень стойкие к разогреву при работе и выдерживают нагрузки вращения- фрезы по дереву, зенковки, пилы продольные, дисковые, накатные ролики и др.

Углеродистая сталь марки У10, У10А служит для изготовления игольной проволоки, также инструмента, который не вызывает нагрева режущей кромки. У13, У13А используют для инструментов, где необходима повышенная износостойкость, лезвия бритвы, хирургические инструменты, инструментов для гравировки металла, камня.

Сталь углеродистая ГОСТ введен для того, чтобы покупатели могли гарантированно купить сталь с определенными свойствами и составом. Если потребитель видит материал, который соответствует ГОСТу, то он точно будет уверен в его качестве. ГОСТ означает определенный стандарт, которому должна соответствовать продукция производителей.

Углеродистая сталь марки имеет различные. Разделение этого материала по маркам обусловлено необходимостью классифицировать его. К примеру, завод выпускает строительные инструменты. Для этого надо применять сталь с высокими прочностными характеристиками. Вот здесь на помощь и приходит система маркировки стали. Производитель уже знает, что определенная марка стали имеет необходимые характеристики, и он сразу покупает ее у поставщика, не тратя каждый раз время на изучение новой прибывшей партии стали.

Сплавы различаются друг от друга по методу создания. Например, сталь углеродистая обыкновенного качества выплавляется в мартеновских печах. После чего материал разливается в крупные слитки. Сталь углеродистая обыкновенная содержит в составе много неметаллических включений. Можно заметить полосатость вдоль направления сечения у данного материала в прокатанном виде.

В мартеновских печах выплавляют качественные углеродистые стали, при этом к процессу производства предъявляются весьма строгие требования. При соблюдении всех норм удается получить материал, в котором мало неметаллических включений. Металлы самого высокого качества получаются в электрических печах. Они отличаются великолепными механическими свойствами.

Сталь углеродистая обыкновенного качества марки имеет множество. Среди них Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4пс и так далее до Ст6сп. Первые буквы «Ст» являются сокращением от «Сталь». Следующая за ним цифра обозначает номер марки, присваивающийся материалу в зависимости от его химического состава. Чем больше номер, тем выше в сплаве содержание углерода. В некоторых обозначениях встречается буква «Г». Она означает, что в сплав добавлен марганец, и его содержание в массовой доле стали составляет 0.8% и более. В конце маркировки стоят две буквы, указывающие на степень окисления материала. «Сп» означает спокойная, «кп» кипящая, а «пс» расшифровывается как полуспокойная.

Сталь углеродистая обыкновенная ГОСТ присвоен 380-2005. Она отлично подходит для создания горячекатаного проката.

Стали углеродистые качества зависят от содержания в них марганца. Существуют сплавы с обычным содержанием марганца (до 0,8 %), а также с большим (до 1,2%). Марганец способствует увеличению прокаливаемости и прочностных свойств стали. Но при этом марганец делает материал менее пластичным и вязким.

Различие легированных и углеродистых сталей

Углеродистые легирующие стали называются так потому, что при производстве в них добавили определенные металлы. Это делается для того, чтобы придать материалу необходимые механические или химические свойства.

Углеродистые и легированные стали имеют одно важное отличие. При создании углеродистой стали используются те же материалы, что и исходное сырье, то есть железо, углерод, а также вредные примеси в виде фосфора и серы. Если же в материал добавлены другие металлы, например, хром или медь, то сплав называют легированным.

Особенности конструкционной стали

Углеродистые конструкционные стали используются при производстве различных механизмов и корпусов машин. Также их применяют для создания элементов строительных конструкций. При производстве машиностроительной техники применяются сплавы, в составе которых присутствует молибден и никель. Эти элементы повышают вязкость сплавов.

Конструкционные стали, которые применяются в строительной сфере, содержат малый объемом легирующих элементов. Их особенность в том, что они обладают отличной свариваемостью.

Методы сварки углеродистых сталей

Сварка углеродистых сталей может проходить с использованием нескольких методов. Если выбрана технология сварки под флюсом, то необходима сварочная проволока. В качестве флюса используется АН-348-А и ОСЦ-45. Сваривание следует осуществлять на небольших величинах тока.

Нередко используется аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. Главной проблемой при выборе данного метода является образование пор. Это связано с малым раскислением основного металла. Чтобы устранить проблему, необходимо уменьшить количество основного металла в наплавленном. От мастера требуется правильно выбрать режим сварки. Работа производится постоянным током прямой полярности.

Качества углеродистой стали

Свойства углеродистой стали значительно улучшаются, когда она подвергается термообработке.

После данного процесса сплав приобретает высокую твердость, прочность, способность реагировать на большие нагрузки, выдерживать высокую температуру при работе режущей кромки. Качества углеродистой стали позволяют ей быть одним из самых востребованных видов стали. Характеристики и свойства материала регулируют при выплавке, соблюдая необходимые нормы процентного содержания элементов сплава. Качества углеродистой стали позволяют успешно сваривать ее, обрабатывать резанием, введенные в нее легирующие элементы изменяют свойства, повышаются механические способности, снижается хладноломкость.

Плюсы и минусы углеродистой конструкционной стали

Преимущества подобного металла становятся очевидны после того, как изделия проходят термическую обработку. Поэтому в процессе производства их подвергают воздействию температуры, чтобы проявить такие достоинства:

• Закалка и отпуск позволяют усилить сопротивление материала пластическим деформациям. В итоге данный показатель углеродистой конструкционной стали становится выше, чем у углеродистых сплавов при равном содержании углерода.
• В идентичных условиях конструкционная сталь прокаливается сильнее углеродистой. Из-за чего внешние элементы, имеющие значительную толщину, рекомендуется изготавливать из конструкционной стали с легирующими добавками. Благодаря составу, деталь прокаливается насквозь.
• Термическая обработка подобной стали может проходить с применением так называемых «мягких» охладителей, то есть масла. При помощи данного подхода серьезно сокращается вероятность растрескивания, коробления в процессе закалки.
• После термообработки и легирования у конструкционной стали возрастает вязкость, порог хладноломкости. Поэтому техника, в составе которой присутствуют детали из этого металла, считается более надежной.

Читайте также: Виды сварочных работ: общепринятая классификация

Однако у углеродистой конструкционной стали есть и отрицательные свойства:

• Большинство изделий из нее подвержено обратимой отпускной хрупкости.
• Под действием температуры сталь теряет изначальную твердость и сопротивление усталости.
• Ковка, прокатка приводят к тому, что структура изделий меняется на строчечную. В зонах деформации они утрачивают однородность, из-за чего металл становится сложно резать.
• Углеродистым конструкционным сталям, легированным никелем, свойственно формирование флокенов, то есть светлых пятен в изломе. Они появляются при выходе водорода, растворенного в металле. В поперечном разрезе такие дефекты выглядят как трещины, расходящиеся в разных направлениях.

3 Стали обыкновенного и повышенного качества – применение и особенности

Обычная углеродистая сталь изготавливается в виде балок, прутьев, листьев и швеллеров. Ее свойства позволяют применять сплавы обыкновенного качества в машиностроительной отрасли и в строительной сфере в качестве надежных опорных изделий. Маркируются обычные стали буквами Ст и цифрой от 0 до 6. Последние указывают на прочность сплава. Чем большая цифра стоит в маркировке, тем более прочной является сталь. Обозначение УС также включает в себя методику раскисления металлургической композиции. С этой точки зрения сплавы могут быть:

• кипящими (маркировка – КП);
• полуспокойными (ПС);
• спокойными (СП).

Изделия из прочной стали

Кроме того, обычные по качеству углеродистые стали делят на подвиды А, Б и В. Сплавы группы А нельзя использовать для производства сварных конструкций. Эти стали не регламентируются по химическому составу. Их основным показателем принято считать механические свойства. Сплавы Б-подвида имеют строго определенный химсостав. При этом их механические свойства могут изменяться. Изделия из сталей группы Б допускается подвергать термической обработке, ковке, штамповке. Самыми дорогими (и, конечно же, качественными) являются сплавы В-подвида. Их химсостав и механические свойства четко соответствуют требованиям Госстандартов. За счет особых характеристик таких сталей их разрешается сваривать без ограничений (по разным технологиям).

Конструкционные УС поставляют в виде разнообразных полуфабрикатов, включая различные варианты поковок и проката. Такие качественные углеродистые стали имеют мало неметаллических примесей и негативно влияющих на свойства стали элементов (серы и фосфора). Поэтому их характеристики (механические и химические) являются строго гарантированными. Обозначаются конструкционные качественные сплавы числами, состоящими из двух цифр – 45, 20, 08, 85 и так далее. Этот код указывает содержание (в сотых частях процента) углерода в готовом прокате. Если перед нами сталь с маркировкой 45, несложно понять, что углерода в ней около 0,45 %. Конструкционные УС идеально подходят для производства широкой номенклатуры машиностроительных изделий. Важно! Начальные свойства таких сплавов (эксплуатационные и прочностные) легко повышаются посредством проведения их термической обработки.

Инструментальные стали находят применение при изготовлении инструмента для обработки древесины, матриц, фрез, пневматического инструмента, плашек, сверлильных приспособлений, кусачек, плоскогубцев и аналогичных инструментов. Также из них делают ножовочные полотна, напильники, измерительные механизмы. Маркируются инструментальные сплавы литерой У, цифрами, указывающими на количество углерода (десятые части процента), а также дополнительной буквой А (ставится в конце обозначения стали, если речь идет о прокате высокого качества). Если перед вами сплав с маркировкой У13А, сразу можно понять, что вы имеете дело с инструментальной высококачественной сталью с углеродом 1,3 %.

Классификация по степени раскисления

На разделение углеродистых сталей на различные типы оказывает влияние в том числе такой параметр, как степень раскисления. В зависимости от данного параметра углеродистые стальные сплавы делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Более однородной внутренней структурой отличаются спокойные стали, раскисление которых осуществляют, добавляя в расплавленный металл ферросилиций, ферромарганец и алюминий. За счет того, что сплавы данной категории были полностью раскислены в печи, в их составе не содержится закиси железа. Остаточный алюминий, который препятствует росту зерна, наделяет такие стали мелкозернистой структурой. Сочетание мелкозернистой структуры и практически полное отсутствие растворенных газов позволяет формировать качественный металл, из которого можно изготавливать наиболее ответственные детали и конструкции. Наряду со всеми своими достоинствами углеродистые стальные сплавы спокойной категории имеют и один существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Строение стального слитка зависит от степени раскисленности стали

Более дешевыми, но и менее качественными являются кипящие углеродистые сплавы, при выплавке которых используется минимальное количество специальных добавок. Во внутренней структуре такой стали из-за того, что процесс ее раскисления в печи не был доведен до конца, присутствуют растворенные газы, которые негативно отражаются на характеристиках металла. Так, азот, содержащийся в составе таких сталей, плохо влияет на их свариваемость, провоцируя образование трещин в области сварного шва. Развитая ликвация в структуре этих стальных сплавов приводит к тому, что металлический прокат, который из них изготовлен, имеет неоднородность как по своей структуре, так и по механическим характеристикам.

Промежуточное положение и по своим свойствам, и по степени раскисления занимают полуспокойные стали. Перед заливкой в изложницы в их состав вводят небольшое количество раскислитилей, благодаря чему металл затвердевает практически без кипения, но процесс выделения газов в нем продолжается. В итоге формируется отливка, в структуре которой содержится меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Такие внутренние поры в процессе последующей прокатки металла практически полностью завариваются. Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется в качестве конструкционных материалов.

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к углеродистой стали можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

Скачать ГОСТ 380-2005 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки
Скачать

Область применения

Как уже говорилось выше, углеродистые стальные сплавы по основному назначению делят на две большие категории: инструментальные и конструкционные. Инструментальные стальные сплавы, содержащие 0,65–1,32% углерода, используются в полном соответствии со своим названием – для производства инструмента различного назначения. Для того чтобы улучшить механические свойства инструментов, обращаются к такой технологической операции, как закалка углеродистой стали, которая выполняется без особых сложностей.

Сферы применения углеродистых инструментальных сталей

Конструкционные стальные сплавы применяются в современной промышленности очень широко. Из них делают детали для оборудования различного назначения, элементы конструкций машиностроительного и строительного назначения, крепежные детали и многое другое. В частности, такое популярное изделие, как проволока углеродистая, производится именно из стали конструкционного типа.

Используется проволока углеродистая не только в бытовых целях, для производства крепежа и в строительной сфере, но и для изготовления таких ответственных деталей, как пружины. После выполнения цементации конструкционные углеродистые сплавы можно успешно использовать для производства деталей, которые в процессе эксплуатации подвергаются серьезному поверхностному износу и испытывают значительные динамические нагрузки.

Конечно, углеродистые стальные сплавы не обладают многими свойствами легированных сталей (в частности, той же нержавейки), но их характеристик вполне хватает для того, чтобы обеспечить качество и надежность деталей и конструкций, которые из них изготавливаются.

Виды углеродистых сталей по содержанию углерода

Углерод – основной элемент углеродистой стали, и его содержание в сплаве может варьироваться в достаточно широких пределах: от 0,25% до 2%.

Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%

Большая часть такого типа стали выпускается в виде холоднокатаных и отожжённых полос и листов. Её свойства варьируются в зависимости от содержания основных химических элементов:

• C до 0,1%, Mn менее 0,4%. Материал обладает высокой способностью к горячей деформации и холодному волочению. Используется при производстве проволоки, очень тонких листов, тары и корпусов автомобилей.
• C от 0,1% до 0,25%. Такой материал более прочен и твёрд, чем описанный выше, а его способность к деформации ниже. Часто применяется для производства деталей с цементируемым поверхностным слоем.
• C около 0,25%, Mn и Al до 1,5%. Материал с высокой вязкостью. Подходит для металлов, предназначенных для ковки, штамповки, производства бесшовного трубного проката и листа для котлов.
• C около 0,15%, Mn менее 1,2%, Pb до 0,3% (или без него), минимальное количество Si. Применяется в массовом производстве на автоматических линиях деталей, которые не предназначены для восприятия серьёзных механических и температурных нагрузок.

Среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,2% до 0,6%

Обычно в таких видах стали содержание марганца находится на уровне 0,6-1,65%. Они подходят для производства продукции, которая будет эксплуатироваться при высоких нагрузках. Могут подвергаться ковке. Подходят для машиностроения.

Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,6% до 2%

С повышением количества углерода до 1% сталь становится более прочной и твёрдой, одновременно снижаются пределы её текучести и пластичности. Дальнейшее увеличение углерода более 1% приводит к началу формирования грубой сетки из вторичного мартенсита, что снижает прочность материала.

Высокоуглеродистая сталь отличается высокой себестоимостью, низкой пластичностью и плохой свариваемостью. Такой материал имеет ограниченную область применения – его применяют для производства режущего инструмента, высокопрочной проволоки.

Как влияют полезные и вредные примеси на свойства стали?

Эффект от различных элементов в сталях:

• Марганец повышает прокаливаемость металла и нейтрализует вредное воздействие серы.
• Кремний улучшает прочность и способствует раскислению сплава, удаляя оксиды и сульфиды.
• Сера ухудшает пластичность и вязкость. Ее большое содержание проявляется красноломкостью: во время горячей обработки металл трескается в области красного или желтого каления.
• Фосфор снижает пластичность и ударную вязкость сплава. Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости: при механической обработке металл трескается или разламывается на куски.
• Кислород и азот разрушают структуру стали, ухудшают вязкость и пластичность.
• Водород приводит к хрупкости металла.

Чтобы удалить вредные примеси и неметаллические включения, жидкую сталь рафинируют. Используют комбинированное рафинирование в печи и вне печи. К примеру, раскисление, десульфурацию, дегазацию и другое. За счет очистки структура металла становится однородной, а качество возрастает.

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.

Изготавливаемая продукция

Из углеродистой стали производятся сверла, коронки и прочий металлорежущий инструмент. Продукция широко используется на производстве и в быту.

Сверла из углеродистой стали

Выпуск сверл из углеродистой стали осуществляется по техническим условиям. Изделия отличаются доступной ценой, эффективно справляются с деревом, пластиком и металлом.

Рис. 4 Спиральные сверла из углеродистой стали

Сверла из углеродистой стали входят в состав многих наборов.

Рис. 5 Набор, включающий сверла из углеродистой стали

Ручной инструмент

Высокая твердость углеродистой стали делает ее отличной основой для ручного инструмента: топоры, стамески, зубила и т.д.

Рис. 6 Стамеска из углеродистой стали

Заточка инструмента из углеродистой стали

Заточка режущего инструмента из углеродистой стали производится посредством абразивных кругов. Мастер постепенно снижает зернистость круга, что обеспечивает формирование качественной рабочей части.

Для обслуживания ручного инструмента (топоры, стамески) может использоваться универсальный круг или брусок. Главное – обеспечить равномерный контакт лезвия с абразивным материалом.

Рис. 7 Заточка стамески

Ограничения по использованию углеродистых конструкционных сталей

Доля углерода фиксируется при помощи цифры в маркировке – от этого показателя зависит качество и область применения изделий из стали.

Название	Свойства изделий, возможные сферы их использования
Низкоуглеродистые	Из данного металла производят малонагружаемые детали, ведь они имеют небольшую прочность, высокую пластичность и хорошо поддаются сварке. Также изделия подходят для штамповки холодным способом, однако их нельзя подвергать термическому воздействию. Сплав является материалом для сложных деталей автомобилей, ответственных сварных конструкций
Среднеуглеродистые	Для получения такого металла углеродистую конструкционную сталь улучшают закалкой и горячим отпуском до температуры + 650 °C. В результате увеличивается уровень прочности деталей, при этом снижается пластичность, что позволяет резать металл. Данную сталь используют в сфере машиностроения
Высокоуглеродистые	Эти материалы имеют значительное содержание марганца, поэтому из них делают элементы, обладающие повышенной упругостью и стойкостью к износу, например, рессоры, пружины. Благодаря отжигу материал поддается резанию
Качественные	Металл имеет большую долю серно-фосфорных, свинцовых добавок и используется для изготовления деталей, подвергающихся значительной обработке без вреда для самого инструмента. Это автоматные стали с добавлением серы, фосфора, свинца, которые, в соответствии с названием, обрабатывают станками-автоматами

Если нужно добиться повышенной твердости, сопротивляемости износу элементов из углеродистой конструкционной стали, используют графитизацию, наклеп, наплавку.

Чтобы не ошибиться при выборе марки металла под конкретные задачи, важно понимать перечисленные выше свойства конструкционных сталей. Если вас не покидают сомнения, стоит посоветоваться со специалистами – они точно помогут подобрать подходящий материал.

4 Плотность сплавов и их термообработка – что полезно знать?

При колебаниях температуры от +20 до +900° плотность рассматриваемых сталей практически не изменяется. Эта величина находится в пределах 7,7–7,9 г/куб.см. По сути, плотность УС аналогична показателю плотности железа. Это логично, ведь основу любого углеродистого сплава составляет именно оно. Изменить плотность, а также свойства и структуру УС позволяет их термообработка. Под такой операцией понимают нагрев сплава, а затем его охлаждение.

Термообработка стали

Термическая обработка углеродистых сталей бывает следующих видов:

• отжиг;
• отпуск;
• закалка;
• нормализация.

Применение отжига металла позволяет получить сплавы со структурой, мало чем отличающейся от равновесной. Такая операция осуществляется по простой схеме: нагрев металла до определенной температуры и его выдержка в течение заданного времени, а затем охлаждение проката (оно происходит, как правило, вместе с печью на протяжении относительно длительного временного отрезка). Закалка углеродистой стали производится аналогичным образом. Но охлаждается нагретый металл в данном случае с заданной (достаточно быстрой) скоростью. Она подбирается металлургами так, чтобы готовый прокат получил полностью мартенситную структуру. При закалке обязательным является применение специальных масел, соляных растворов либо воды. Эти жидкости обеспечивают быстрое охлаждение УС.

Отпуск дает возможность получить прокат с определенными свойствами. Он применяется только для закаленных ранее сплавов. Отпуск обеспечивает снятие напряжений (внутренних) в металле и повышение его механических параметров. Углеродистая сталь, кроме того, может подвергаться нормализации (нагрев, выдержка и остывание естественным путем на открытом воздухе). Такой процесс не относят к основным типам термообработки. Он, скорее, представляет собой подвид стандартной закалки или отжига.

Технология изготовления

Изготовление стали в металлургической промышленности производится различными способами. Каждый метод производства отличается, в зависимости от применяемого оборудования. Так, все оборудование для производства углеродистых сталей можно разделить на три типа:

• Конверторные плавильные печи.
• Печи мартеновского типа.
• Электрические печи.

Конверторные

Конверторные печи осуществляют расплавление всего состава сплава. При таком методе расплавленная масса подвергается обработке техническим кислородом. Для очистки раскаленной массы от разнообразных примесей в нее добавляют известь. Так удается превратить примеси в шлак. Во время производственного процесса активно происходит процесс окисления металла. Это провоцирует выделение большого количества угара.

Изготовление углеродистых сталей в печах конверторного типа имеет существенный недостаток. К нему относится то, что при работе происходит выделение большого количества пыли. Это приводит к необходимости установки дополнительных фильтровальных установок, что влечет за собой затраты денежных средств. Несмотря на это, конверторный метод имеет высокую производительность, и широко применяется в металлургии.

Мартеновские

Получение различных марок углеродистой стали с использованием печей мартеновского типа дает возможность получить конечный продукт высокого качества. Производственный процесс происходит следующим образом:

• В специализированный отсек печи загружаются составляющие сплава: чугун, стальной лом и т. д.;
• Весь состав нагревается до высокой температуры;
• Под воздействием температуры все составляющие превращаются в однородную раскаленную массу;
• При плавлении происходит взаимодействие всех компонентов сплава железа и углерода;
• Материал, получившийся в результате химического взаимодействия, выходит из печи.

Принцип работы мартеновской печи

Электрические

Способ получения различных марок углеродистой стали в электрических печах отличается от вышеперечисленных. Его отличие состоит в способе нагрева состава. Применение электричества для разогрева компонентов снижает окисляемость металла. Это значительно уменьшает количество водорода в составе металла, что улучшает структуру сплава и влияет на качество окончательного продукта.

Электродуговой способ

Принцип производства заключается в выделении тепла при горении электрической дуги. Тепловой режим обеспечивает плавление сырья под температурой +6000оС. Благодаря нему получаются высококачественные сплавы. У этой группы больше остальных хорошо раскисленных сталей.

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.

2. Стали углеродистые качественные конструкционные

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

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

Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной

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

2 Какие примеси имеются в углеродистом прокате?

Кроме углерода, в УС всегда имеются включения других химических элементов. К таковым относят кислород, водород, фосфор, марганец, азот, серу, кремний. От количества этих примесей зависит плотность готового проката и другие его механические свойства. Марганец дает возможность выполнять раскисление УС. Поэтому его специально добавляют в любой сплав. Под раскислением понимают важную и полезную операцию – удаление вредных продуктов закиси железа. За счет введения марганца структура металла становится более качественной. Он обеспечивает растворение сернистых веществ в цементите и феррите.

Трубы из углеводородистой стали

Аналогичную функцию выполняет и кремний. Он отлично раскисляет металлургические композиции. Их структура благодаря этому обретает требуемую упорядоченность. Здесь стоит отметить, что кремний полностью растворяется в феррите. Лишь небольшая его часть иногда остается в виде силикатов в углеродистых сплавах. Низколегированная сталь при этом не теряет своих стандартных характеристик. Негативное воздействие на свойства УС оказывает сера и фосфор. Первая попадает в металл из печных газов и из руды. Сера снижает плотность проката (усредненный ее показатель равняется 7,8 г/куб. см) и делает сплав хрупким. По этой причине ее содержание в УС должно контролироваться и корректироваться. В качественном углеродистом прокате серы не может быть более 0,04 %, в обыкновенном – более 0,03.

Фосфор попадает в сталь из флюсов и железной руды. При большом содержании данного элемента прокат становится хрупким. Это приводит к хладноломкости сплава, что недопустимо. В настоящее время фосфор без проблем удаляется из металлургических углеродистых композиций, применение которых требует минимального содержания этой примеси. Углеродистые и легированные стали в незначительных объемах содержат азот, водород, кислород. Их количество зависит от вида металлургического производства (конвертерный, мартеновский процесс, выплавка в электрических агрегатах). Азота и водорода в прокате может быть от 0,0001 до 0,0007 %, кислорода – от 0,002 до 0,03 %.

Чрезмерное содержание таких примесей становится причиной увеличения предела хладноломкости сплавов. Они могут снижать ударную вязкость стали. Особенно опасен переизбыток водорода. Он может привести к появлению флокенов – надрывов в готовом прокате. При их наличии структура и свойства металла ухудшаются.