Что такое углеродистая сталь – простыми словами

Промышленность, строительство, транспорт и другие отрасли науки и техники немыслимы без сталей. Из нашей статьи Вы узнаете, что такое углеродистая сталь, в чем их отличие, как их получают и где применяют.

Углеродистая сталь: что это

По определению этот материал представляет собой сплав железа (Fe) и углерода (С), в котором последнего содержится не более 2,14% (или до 2,1% по массе). Углеродистая сталь не имеет в своем составе легирующих элементов, только случайные примеси меди, никеля, хрома, ванадия, титана, прочих металлов и неметаллов – с процентным содержанием до десятых или сотых долей.

С точки зрения химического состава любой такой сплав, не являющийся специально легированным, может называться углеродистым. Материал популярен, он нужен для изготовления инструментов, ножей, пружин, металлопроката и многого другого.

Классификация и марки

Стали углеродистые подразделяются по своему несложному химическому составу и по сфере назначения. При оценке первого критерия можно заметить схожесть сплавов и по второму.

По химическому составу

Состав углеродистой стали включает в себя 2 основных химических элемента: железо Fe и углерод С. Ключевая роль в составе стали принадлежит углероду. Свойства основываются на содержании углерода — бывает сплав:

• низкоуглеродистый: доля С – в интервале 0,02-0,25% (к примеру, такие марки как 10, 05кп, Ст1);
• среднеуглеродистый: 0,26-0,6% (35, Ст4);
• высокоуглеродистый: 0,61-1,35% (70, У13).

Первая группа качественно подходит для свариваемых деталей – низкое содержание углерода позволяет вести сварку практически без дефектов. Материалы удовлетворительно работают на изгиб, отличаются небольшой прочностью.

Вторая группа уверенно себя чувствует в большинстве ситуаций с механической, химической и температурной нагрузкой, материалы усиливаются при термической обработке и увеличивают прочность. Свариваются с определенными условиями. Применяются для постоянно нагруженных деталей по типу шкивов, осей и шестерней

Третья группа не сваривается из-за высокой доли С (образуются поры, трещины и прочие дефекты), но отличается высокой твердостью и прочностью. Материалы задействуются для создания инструмента, пружинящих деталей и специальных механизмов.

По области применения

Состав углеродистой стали прямо определяет сферу ее использования, которые давно разделены на такие группы:

• конструкционные, подразделяемые на стали общего назначения (например, марки Ст1, Ст5), качественные (10, 60) и с повышенной обрабатываемостью (А30);
• специальные: рессорно-пружинные (65, 85), подшипниковые (ШХ4) и для строительных конструкций (С285);
• инструментальные (У10).

Конструкционные применяют в любой области экономики: от сельского хозяйства до атомного машиностроения.

Специальные используют для создания металлопроката, узлов качения и скольжения, а также рельсов. Последние работают в условиях высокой удельной нагрузки и сильного трения.

Инструментальные – нужны для создания металлорежущей оснастки и инструмента. Высокая твердость позволяет снимать поверхностный слой обрабатываемого металла без появления дефектов на самом резце.

Маркировка углеродистых сталей

Сталь углеродистая маркируется цифрами и буквами, а сам поставляемый прокат дополнительно подкрашивается специальным образом.

Основные правила чтения маркировки и состава углеродистой стали:

• если сплав имеет качество нормального уровня, в начале пишется «Ст», после чего указывается цифра, соответствующая максимальному количеству углерода в десятых долях процента, название завершается способом раскисления (к примеру, «Ст2кп»);
• при качестве повышенного уровня пишется «Сталь», затем – количество С в сотых долях процента и обозначение имеющейся лигатуры (например, «Сталь 40Х»);
• к названию стали высокого качества в конце добавляется «А» («Сталь 20А»);
• буква «У» укажет на сталь инструментальную, высокоуглеродистую или специальную («У7»), буква «Р» – на сталь быстрорежущую («Р6М5К5»).

Маркировка цветом производится полосой определенного цвета:

• желтая – Ст2;
• красная – Ст3;
• зеленая – Ст5;
• синяя – Ст6, и т.д.

Точная расшифровка химического состава материала, его механических и физических свойств легко находится в специальных справочниках.

Свойства углеродистой стали

Поведение материала зависит не только от содержания углерода, сколько от комплекса физико-химических свойств. На их основе становится возможным охарактеризовать эксплуатационные параметры. Все эти значения сведены в таблицы и справочники, поэтому задача чаще всего сводится к определению ключевых параметров и подборе технического решения.

Прочностные характеристики

Базовое требование к стали – механическая прочность как устойчивость к различным нагрузкам. Прочностные характеристики представляют собой комплекс количественно измеряемых свойств:

• твердость: устойчивость к вхождению в поверхность материала более твердой поверхности;
• предел текучести: величина усилия, от которого материал переходит в деформированное состояние;
• предел прочности: величина усилия, от которого начинается разрушение материала;
• удлинение: способность к увеличению линейных размеров детали до начала разрушения;
• ударная вязкость: устойчивость к динамическим силовым нагрузкам.

Интересно, что при отсутствии значений каких-то показателей возможно достаточно точно указать на поведение стали по другим параметрам – из-за взаимосвязи свойств. После термической обработки соотношение значений меняется. К примеру, после закалки повышается прочность и падает относительное удлинение.

Коррозионная стойкость

В лучшие свойства углеродистых сталей не входит коррозионная стойкость: любая марка теряет свои эксплуатационные показатели при воздействии на нее воды, пара и просто открытого воздуха с высоким содержанием влаги.

Проблема заключается в отсутствии лигатуры. В других материалах устойчивость к окислению получается добавкой отдельных химических элементов (Cu, Mo, Ni, Zn), для углеродистой стали это неприменимо в принципе. Здесь могут присутствовать никель и хром, но в количестве до 0,2%, чего очень недостаточно. Как следствие сплавы уязвимы перед водой.

Коррозионная стойкость повышается с помощью защитных покрытий и термообработки:

• нанесение лакокрасочных материалов;
• кадмирование, никелирование, хромирование и т.д.

Задача этих техник – создать оксидированный защитный слой, ограждающий сталь от прямого контакта с кислородом.

А вы знаете сколько сохнет холодная сварка? Если нет, то переходите по ссылке на нашу статью.

Износостойкость

Устойчивость к трению и сохранению своей поверхности является одним из базовых свойств стали. Оно проявляется при работе в контакте с другими деталями и в потоках рабочих газовой и жидкой средах.

Износостойкость создается методом снижения шероховатости поверхности и повышением ее твердости. С этим успешно справляются термическая и химико-термическая обработка с последующей шлифовкой:

• низкоуглеродистые марки: цианирование и цементация;
• среднеуглеродистые и высокоуглеродистые: закалка;
• все разновидности: нитроцементация.

При этом на металл воздействуют углеродом, азотом, цианистыми солями. В результате твердость поверхностного слоя доводится до 60-63 HRC, немного повышается устойчивость к коррозии.

Стойкость к воздействию температур

Оптимальный интервал рабочих температур для большинства марок: -100°С..+350°С. Выход за указанные пределы ведет к быстрой потере прочности – из-за слабой устойчивости связки «железо-углерод» в отношении температуры. Типовое эффективное решение – введение лигатуры (Mo, Ma, Si, Ni), но в таком случае теряется суть углеродистой стали.

Больше всего изменения проявляются при нагреве свыше 400°С (потеря до 25% прочности) и свыше 500°С (до 50%).

Технологичность в обработке

Параметр описывает степень сложности при формировании геометрии изделия и полезных свойств материала. У углеродистых сталей технологичность очень высокая, они качественно воспринимают все основные типы технического воздействия:

• резание, сверление и другие типы механической обработки – без существенных ограничений;
• штамповка, вальцовка – в горячем и холодном состояниях без ограничений;
• сварка – с учетом содержания углерода: чем оно выше, тем больше сложностей возникает с предварительным и сопутствующим подогревом, но процесс соединения принципиально выполняется (даже если требуются последующие отжиг или нормализация);
• термическая обработка – также по содержанию углерода, но сплавы легко подвергаются всем типам процессов.

Применение именно таких сталей с точки зрения производства детали – оптимальный путь для инженера.

Полезная статья – Как работает сварка полуавтомат

Производство

Получить равномерно распределенный углерод в стали – непростая техническая задача. Сегодня производство стали ведется 3-мя основными способами, каждый из которых требует специализированного оборудования.

Кислородно конвертерный способ

Технология производства основывается на расплавлении всего объема чугунной и стальной шихты, загружаемой в конвертер. Масса, перешедшая в жидкую форму, обрабатывается кислородом, в нее добавляется известь – в результате примеси и нежелательные включения выводятся из состава будущей стали.

Особенностями процесса являются сильное окисление металлов (приводит к образованию значительного количества так называемого «угара») и приличный объем пыли. Для очистки воздуха и улавливания летучих загрязнений приходится затрачивать деньги на соответствующие фильтры.

Способ отличается производительностью и не требует значительных затрат на топливо.

Электротермический способ

Технология заключается в целенаправленном нагреве загружаемого сырья теплостойкими электродами. Через них в закрытую печь подается электрический ток, преобразующийся в теплоту. Генерируемое тепло разогревает шихту и чугун, которые преобразуются в сталь.

Весомое достоинство способа – в низкой степени окисляемости железа внутри печи. Из-за этого сталь удается качественная и с равномерной структурой.

Полезная статья – Регулировки и настройки сварочной маски хамелеон

Мартеновский метод

Технология выполняется в мартеновской печи – плавильной установке с уникальной конструкцией (называется по имени своего создателя). В ее отсек подаются куски чугуна и металлический лом.

Готовую шихту разогревают, в ходе чего она становится жидкой однородной массой. На выходе получаются стали в широком спектре марок и с высоким качеством каждой плавки. Метод достаточно старый и в настоящее время применяется все реже и реже. Почти все крупные мартеновские печи в России закрыты.

Применение углеродистой стали

Для создания продукции углеродистые стали подходят как технологичный материал: они хорошо воспринимают обработку и сварку. Их характеристики позволяют работать в широком спектре нагрузок и условий.

Производство деталей машин

Массовое применение находит углеродистая сталь в мире машин и механизмов. Условия работы изделия полностью зависят от содержания углерода в сплаве.

Стали низкоуглеродистые нужны для деталей, на которые не воздействуют сильные нагрузки: втулки, колпаки, крышки, маховики, планки, кольца и пр. Много делается различных металлоконструкций и каркасов. Невысокая механическая прочность компенсируется увеличением поперечного сечения.

Стали среднеуглеродистые хорошо работают при значительных нагрузках: шкивы, зубчатые колеса, валы, рычаги, шпиндели, ролики, штоки и т.д. После механической обработки обязательно выполняется термическая обработка (к примеру, цементация).

Стали высокоуглеродистые применяются в исключительных случаях: пружины, рессоры, цанги, прочие твердые или упругие изделия. Они сложны в изготовлении, поэтому продукция имеет повышенную стоимость.

Полезная статья – Что за положение при сварке В1

Производство инструмента

Содержание углерода и лигатуры делает углеродистые стали оптимальным материалом для всевозможного инструмента:

• отвертки;
• ножницы садовые и по металлу;
• ключи гаечные и другие;
• ножовки, пилы, режущие полотна, топоры;
• напильники и надфили;
• плоскогубцы и другой шарнирно-губцевый инструмент;
• метчики, плашки;
• резцы по металлу и иным материалам;
• микрометры, штангенциркули и иные измерительные инструменты;
• матрицы для штамповки и многое другое.

Для производства применяют ковку (литье не допускается), прокат упрочняют, заготовки подвергают точению, сверлению, фрезеровке и шлифовке. Одна из основных сложностей – удалить поверхностный слой металла с дефектами от термообработки.

Полезная статья – Что должен знать и уметь сварщик 6 разряда

Производство крепежа

Шпильки, болты, винты и прочие крепежные изделия изготавливаются из таких марок углеродистых сталей:

• 10, 20: для получения класса прочности до 6.8 включительно, изделие не подвергается термообработке;
• 30, 35, 45: с классами прочности 5.6, 6.6, изделия проходят термообработку;
• 35: для класса прочности от 8.8 до 12.9, с термообработкой.

Регламентирует механические свойства изделий ГОСТ 898-1-2014.

Метод производства: штамповка на автоматах для крупносерийного и массового выпуска и обработка на металлорежущих станках для менее масштабной программы производства.

Задавайте свои вопросы нам в комментариях под статьей, мы Вам поможем.