Стали углеродистые. Марки, свойства и их применение. Сталь углеродистая: состав, свойства, гост, назначение, применение Что такое углеродистая сталь где она используется

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.

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.

Применение

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.

Благодаря своим прочностным характеристикам и доступной цене углеродистая сталь является весьма распространенным сплавом. Его главные элементы - это железо и углерод с минимумом присесей. Из углеродной стали производят различную машиностроительную продукцию, детали трубопроводов и котлов, инструменты. В строительстве сплавы тоже нашли широкое применение.

Основные характеристики

В зависимости от основного своего назначения углеродистые стали делятся на инструментальные и конструкционные, легирующих элементов в их составе практически нет. От обыкновенных стальных сплавов они отличаются еще и тем, что имеют в составе значительно меньше базовых примесей: марганца, магния, кремния. Содержание главного элемента - углерода - варьируется в довольно широких пределах . В составе высокоуглеродистой стали содержится 0,6−2% C, среднеуглеродистой - 0,3−0,6%, низкоуглеродистой - до 0,25%.

Основной элемент определяет свойства и структуру. Во внутренней структуре сплавов с менее чем 0,8% C (сталь доэвтектоидная) - преимущественно перлит и феррит, а при увеличении концентрации главного элемента формируется вторичный цементит.

Представленные стали с преобладанием ферритной структурой высоко пластичны и имеют низкую прочность. Если в структуре преобладает цементит , металл характеризуется высокой прочностью, однако и большой хрупкостью. При повышении содержания C до 0,8−1% растет прочность и твердость, но сильно ухудшается вязкость и пластичность.

Количественное содержание углерода сказывается на технологических характеристиках, в частности, на свариваемости, легкости обработки резанием и давлением.

Из низкоуглеродистых сталей изготавливают детали и конструкции, не предназначенные для значительных нагрузок.
Характеристики среднеуглеродистых сталей делают их основным конструкционным материалом, который используется в производстве конструкций и деталей для транспортного и общего машиностроения.
Высокоуглеродистые сплавы оптимальны для изготовления деталей, которые должны иметь повышенную износостойкость, в производстве измерительного и ударно-штампового инструмента.

Металл, как и иные стальные сплавы, в составе содержат примеси:

кремний;
фосфор;
марганец;
азот;
серу;
водород;
кислород.

Кремний и марганец - это полезные примеси, которые вводятся в состав на стадии выплавки для раскисления. Фосфор и сера - вредные примеси , ухудшающие качественные характеристики сплава.

Считается, что легирование и углеродистые виды несовместимы, тем не менее с целью улучшения их технологических и физико-механических характеристик может выполняться микролегирование с помощью добавления различных добавок:

бора;
титана;
циркония;
редкоземельных элементов.

С их помощью не удастся превратить металл в нержавейку, но значительно улучшить свойства получится.

Классификация по степени раскисления

На разделение на типы влияет, в частности, степень раскисления. В зависимости от этого параметра наши сплавы делят на полуспокойные, спокойные и кипящие.

Более однородную внутреннюю структуру имеют спокойные стали, чье раскисление достигается путем добавления в расплавленный металл алюминия, ферросилиция и ферромарганца . Благодаря тому, что сплавы нашей категории полностью раскислились в печи, в их составе отсутствует закись железа. Остаточный алюминий, препятствующий росту зерна, обеспечивает мелкозернистую структуру. Она и практически абсолютное отсутствие растворенных газов позволяет получить качественный металл для изготовления из него самых ответственных деталей и конструкций. Наряду с плюсами у спокойных сплавов есть большой минус - достаточно дорогая выплавка.

Есть более дешевые, хотя и менее качественные, углеродистые сплавы, при выплавке которых используют минимум специальных добавок. В структуре такого металла из-за того, что процесс раскисления в печи не довели до конца , есть растворенные газы, негативно отражающиеся на характеристиках. Азот, например, плохо влияет на свариваемость и провоцирует образование трещин в области шва. Развитая ликвация в структуре сплавов приводит к тому, что металлопрокат, сделанный из них, отличается неоднородностью по структуре и механическим характеристикам.

У полуспокойных сталей промежуточное положение по свойствам и степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав их вводится немного раскислитилей, благодаря которым затвердеванием металла происходит практически без кипения , но выделение газов в нем продолжается. В результате получается отливка, в структуре которой меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Эти внутренние поры при последующей прокатке металла завариваются практически полностью.

Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется как конструкционные материалы.

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.

Применение и маркировка

Инструментальные сплавы, в которых 0,65−1,32% C, используются для изготовления различного инструмента. Для улучшения механических свойств инструментов делают закалку материала изготовления.

Из конструкционных сплавов делают детали для разного оборудования, элементы конструкций строительного и машиностроительного назначения, крепежные детали и прочее. Из конструкционной стали делается проволока углеродистая, которая используется в быту , в производстве крепежа, в строительстве, для изготовления пружин. После цементации конструкционные сплавы успешно используются в производстве деталей, подвергающихся при эксплуатации серьезному поверхностному износу и испытывающих большие динамические нагрузки.

Маркировка говорит о химическом составе сплава и о его категории. В обозначении углеродистой стали обыкновенного качества есть буквы «ст». ГОСТ оговаривает семь условных номеров марок (0−6), также указывающихся в обозначении. Степень раскисления обозначают буквы «кп», «пс», «сп», проставленные в конце маркировки. Марки высококачественных и качественных сталей обозначаются цифрами, которые указывают на содержание в сплаве C в сотых долях процента.

О том, что сплав инструментальный, можно понять по букве «У» в начале маркировки. Цифра, следующая за этой буквой, говорит о содержании C в десятых долях процента. Литера «А», если таковая присутствует в обозначении инструментальной стали, указывает на улучшенные качественные характеристики сплава.

Стали с повышенным содержанием углерода могут быть менее склонными к образованию структур малой пластичности. При воздействии структурных и сварочных напряжений металл малой пластичности может разрушиться. Этому способствует наличие в нем и его сварочном шве диффузионного водорода. Для предупреждения появления холодных трещин применяются способы, позволяющие устранить факторы, способствующие появлению таких недостатков.

Сталь - продукт черной металлургии, главный Из него производят строительную арматуру, металлопрокат различного профиля, трубы, детали, механизмы и инструменты.

Производство стали

Черная металлургия занимается и стали. Чугун - твердый, но не прочный материал. Сталь - прочный, надежный, пластичный, склонный к используемый в литейном производстве, прокатке, ковке и штамповке.

Существует несколько способов выплавки стали:

Конверторный. Оборудование: Шихта (исходные материалы): стальной металлолом, известняк. Производятся только углеродистые стали.
Мартеновский. Оборудование: мартеновская печь. Шихта: жидкий чугун, стальной металлолом, железная руда. Универсален как для углеродистых, так и для легированных сталей.
Электродуговой. Оборудование: электродуговая печь. Шихта: стальной металлолом, чугун, кокс, известняк. Универсальный метод.
Индукционный. Оборудование: индукционная печь. Шихта: стальной и чугунный металлолом, ферросплавы.

Суть процесса производства стали - уменьшение количества негативных химических включений с целью получения металла, который в народе называют «железом», а точнее - железоуглеродистого сплава с содержанием углерода в нем не больше 2,14%.

Процессы раскисления

Для стали на завершающем этапе выплавки характерен процесс кипения, на который влияют присущие в ней азот, водород, окиси углерода. Такой сплав в затвердевшем состоянии имеет пористую структуру, которая убирается прокаткой. Он мягкий и пластичный, однако недостаточно прочный.

Процесс раскисления заключается в деактивации кипящих примесей путем ввода в сплав ферромарганца, ферросилиция, алюминия. В зависимости от количества остаточных газов и раскислительных элементов, сталь может быть полуспокойная или спокойная.

Готовую сталь требуемой степени раскисления разливают в изложницы для кристаллизации и использования на последующих технологических этапах изготовления готовой стальной продукции.

Классификация углеродистой стали

Всю сталь, существующую на мировом рынке, можно разделить на углеродистую и легированную. Все марки углеродистой стали разделяются по разным группам классификатора и особенностям обозначения.

Исходя из основных классификационных признаков, выделяют:

Углеродистые конструкционные стали. В них карбона меньше 0,8%. Они используются для изготовления арматуры, прокатной продукции и литья.
Углеродистые инструментальные стали, которые содрежат карбон в количестве от 0,7% до 1,3%. Их используют для инструментов, оборудования приборов.

По способам раскисления:

кипящие - раскислительных элементов (РЭ) в составе меньше 0,05%;
полуспокойные - 0,05%≤РЭ≤0,15%;
спокойные - 0,15%≤РЭ≤0,3%.

По химическому составу:

малоуглеродистые (0,3%≤С);
среднеуглеродистые (0,3≤С≤0,65%);
высокоуглеродистые (0,65≤С≤1,3%).

В зависимости от микроструктуры:

доэвтектоидные - в такой стали углерода в составе меньше 0,8%;
эвтектоидные - это стали с содержанием углерода 0,8%;
заэвтектоидные - стали с содержанием углерода свыше 0,8%.

По качеству:

Обычного качества. Серы здесь содержится меньше 0,06%, фосфора - не больше 0,07%.
Качественные стали. Они не содержат серы и фосфора больше 0,04%.
Высококачественные. Количество серы тут не превышает 0,025%, а фосфора - не больше 0,018%.

По основному стандарту марки углеродистой стали распределяют на:

конструкционные обычного качества;
конструкционные качественные;
инструментальные качественные;
инструментальные высококачественные.

Особенности маркировки конструкционной стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества содержат: С - до 0,6%, S - до 0,06%, P - до 0,07%. Давайте рассмотрим, как маркируется эта углеродистая сталь. ГОСТ 380 определяет следующие нюансы обозначения:

А, Б, В - группа; А - не обозначается в марках;
0-6 после букв «Ст» - порядковый номер, в котором зашифрован химический состав и (или) механический свойства;
Г - наличие Мангана Mn (марганца);
кп, пс, сп - степень раскисления (кипящая, полуспокойная, спокойная).

Цифры от 1 до 6 после обозначения степени раскисления через тире - это категории. При этом первая категория не обозначается никак.

Буквы же М, К в начале марки могут означать металлургический способ производства: мартеновский или кислородно-конверторный. Между прочим, углеродистые стали обыкновенного качества представлены количественным составом марок, примерно в 47 штук.

Классификация конструкционных сталей обыкновенного качества

Углеродистые стали обыкновенного качества разделяются на группы.

Группа А: стали, которые должны точно соответствовать заданным механическим свойствам. Потребителю они поставляются чаще всего в виде листового и многопрофильного проката (листы, тавры, двутавры, арматура, заклепки и корпуса). Марки: Ст0, Ст1 - Ст6 (кп, пс, сп), категории 1-3, в том числе Ст3Гпс, Ст5Гпс.
Группа Б: стали, которые должны быть регламентированы необходимым химическим составом и свойствами. Изготавливается литье и прокат, который будет подвергаться дополнительной механической обработке давлением в горячем состоянии (ковка, штамповка). Марки: БСт0, БСт1 (кп-сп), БСт2 (кп, пс), БСт3 (кп-сп, в том числе БСт3Гпс), БСт4 (кп, пс), БСт 6 (пс, сп), категории 1 и 2.
Группа В: стали, которые должны соответствовать нужным химическим, физическим, механическим и технологическим свойствам. Этой группе присуще разнообразие марок, из которых изготавливается пластичный листовой прокат, прочная арматура для работы в зонах значительных температурных перепадов, ответственные детали (болты, гайки, оси, пальцы поршней). Всю продукцию различного состава, свойств и марок этой группы объединяет хорошая технологическая свариваемость. Марки: ВСт1-ВСт6 (кп, пс, сп), ВСт5 (пс, сп), в том числе ВСт3Гпс, категории 1-6.

Конструкционные стали обыкновенного качества - сплавы, имеющие широкое разноплановое использование в промышленности.

Маркировка углеродистой качественной стали

Углеродистые качественные стали имеют в составе S и P не более 0,04%, соответственно.

Маркировка (ГОСТ 1050-88):

цифры 05-60 - зашифрованное наличие углерода (минимальное - 0,05%, максимальное - 0,6%);
кп, пс, сп - степень раскисления («сп» не обозначается);
Г, Ю,Ф - содержат марганец, алюминий, ванадий.

Исключения в маркировке

Углеродистые качественные стали в своей маркировке имеют исключения:

15К, 20К, 22К - качественные стали, применимы в котлостроении;
20-ПВ - углерода - 0,2%, сталь применима в изготовлении труб методом горячей прокатки, в котлостроении и монтаже отопительных систем, содержит медь и хром;
ОсВ - сталь для изготовления вагонных осей, содержит никель, хром, медь.

Для всех марок качественных сталей характерна возможная необходимость использования термической (к примеру, нормализация) и химико-термической обработки (к примеру, цементация).

Классификация углеродистых качественных сталей

Этот вид углеродистых сталей можно условно разделить на 4 группы:

Высокопластичный материал, применимый для холодной механической обработки (прокатки), листовой и трубный прокат. Марки - сталь 08пс, сталь 08, сталь 08кп.
Металл, используемый в горячей прокатке и штамповке, который будет работать в термически агрессивных условиях. Марки - от сталь 10 до сталь 25.
Сталь, нашедшая применение в изготовлении ответственных деталей, в том числе пружин, рессор, муфт, болтов, валов. Марки - от сталь 60 до сталь 85.
Стали, требующие надежной эксплуатации в агрессивных условиях (к примеру, цепь гусеничного трактора). Марки сталь 30, сталь 50, сталь 30Г, сталь 50Г.

Также возможно разделить на 2 группы все известные марки углеродистой стали из класса качественных: конструкционные обычные и конструкционные марганецсодержащие.

Применение углеродистой конструкционной стали

Класс стали по качеству	Марка	Применение
обычного качества	Ст0	арматура, обшивка
	Ст1	тавры, двутавры, швеллеры
	Ст3Гсп	строительный прокат
	Ст5сп	втулки, гайки, болты
	Ст6пс	строительные ломы
	ВСт4кп	фасонный, листовой, сортовой прокат для прочных конструкций
качественная	Сталь10	трубы для котлов, штамповки
	Сталь15	детали высокой пластичности, кулачки, болты, гайки
	Сталь18кп	сварные конструкции
	Сталь 20пс	оси, вилки, пальцы, штуцера, патрубки
	Сталь50	зубчатые колеса, муфты сцепления
	Сталь60	шпиндели, шайбы, пружинные кольца

Углеродистые инструментальные стали отличаются высокой прочностью и ударной вязкостью. Они обязательно подлежат многоступенчатой термообработке.

Марочное обозначение (ГОСТ 1435-74):

У - углеродистая инструментальная;
7 -13 - содержание углерода в ней 0,7-1,3%, соответственно;
Г - наличие в составе марганца;
А - высококачественная.

Исключениями из основных принципов маркирования углеродистых инструментальных сталей - материал для деталей часовых механизмов А75, АСУ10Е, АУ10Е.

Требования к углеродистым инструментальным сталям

В соответствии с ГОСТом, инструментальные стали должны соответствовать ряду характеристик.

Необходимые физико-химические и механические свойства: качественные показатели твердости, ударной вязкости, прочности, стойкости к температурным изменениям во время эксплуатации (во время резки, сверления, ударных нагрузок), устойчивость к коррозии.

Заданные технологические свойства:

стойкость к негативным процессам технологии резания (налипание стружки, наклеп);
хорошая обрабатываемость точением и шлифованием;
податливость к термообработке;
стойкость к перегреву.

Для повышения качественных механических и технологических показателей инструментальные стали подвергают многоступенчатой термообработке:

отжиг исходного материала перед изготовлением инструментов;
закалка (охлаждение в растворах солей) и последующий отпуск готовых изделий (в основном, низкий отпуск).

Полученные свойства определяются химическим составом и полученной микроструктурой: мартенсит с цементитными и аустенитными включениями.

Использование углеродистых инструментальных сталей

Применяются описываемые стали для изготовления всевозможных инструментов: режущих, ударных, вспомогательных.

Сталь У7, У7А - молотки, зубила, топоры, стамески, кувалды, долота, рыболовные крючки.
Сталь У8, У8А, У8Г - пилы, отвертки, кернеры, зенковки, фрезы, плоскогубцы.
Сталь У9, У9А - слесарный инструмент, инструмент для резки по дереву.
У11, У11А - рашпили, метчики, вспомогательный инструмент для штамповки и калибровки.
У 12, У12А - развертки, метчики, измерительные инструменты.
У13, У13А - напильники, бритвенные и хирургические инструменты, штамповочные пуансоны.

Рациональный выбор марки углеродистой стали, технологии ее термообработки, понимание ее свойств и особенностей - залог длительной службы производимых, обрабатываемых или используемых конструкций или инструментов.

Для дальнейшего рассмотрения структурных превращений при медленном охлаждении необходимо все стали разделить на две группы:

Стали первой группы применяются в основном как стали конструкционные, а стали второй группы - как стали инструментальные.

В сталях с содержанием углерода менее 0,8% линии GS и PSK определяют температуры начала и конца перекристаллизации (вторичная кристаллизация) аустенита в феррит.

Перекристаллизация

Перекристаллизация вызывается аллотропическим превращением Fe γ → Fe α .

В чистом железе это превращение проходит при постоянной температуре (910°), в то время как в сталях оно проходит в интервале температур, так как для стали с содержанием С = 0,2% процесс перекристаллизации начнется при температуре 850° и закончится при температуре 723°.

Структурные превращения при охлаждении стали

Однако при охлаждении стали в интервале температур 850-723° не весь аустенит превратится в феррит. Часть аустенита останется. Этот аустенит при температуре 723° превратится в перлит.

В результате этих двух превращений в интервале температур, определяемых линиями GS и PSK, структура сталей с содержанием С < 0,8% при комнатной температуре будет состоять из феррита + перлита.

Количественное соотношение между ферритом и перлитом определится процентом углерода в стали. Чем больше углерода б стали, тем больше в ней перлита, и сталь будет более твердая, прочная, но менее пластичная.

В сталях с содержанием С>0,8% линии SE и PSK определяют температуры начала и конца кристаллизации цементита из аустенита (вторичная кристаллизация).

Это превращение вызывается уменьшением растворимости углерода в аустените при охлаждении.

При температуре 1130° в аустените может раствориться 2% углерода, а при 723° только 0,8%. Поэтому если в стали углерода 1%, то при охлаждении начиная с температуры 820° из аустенита будет выделяться избыток углерода в форме цементита до тех пор, пока в аустените не останется 0,8% углерода.

При температуре 723° этот аустенит превратится в перлит.

В результате этих двух превращений в интервале температур, определяемых линиями ES и PSK и при температуре 723°, структура сталей с содержанием С>0,8% при комнатной температуре будет состоять из цементита + перлита.

Количественное соотношение между цементитом и перлитом также будет определяться количеством углерода в стали. Чем больше в стали углерода, тем больше в ней цементита и сталь будет более твердая, но и более хрупкая.

В сталях с содержанием С=0,8% превращение аустенита при медленном охлаждении начнется и закончится при температуре 723°. Структура этой стали при комнатной температуре будет перлит .

Температуры линииPSK, если речь идет о нагреве, обозначаютA C1 .

Температуры линийGS иSE обозначают соответственно А Сз или А Ст.

Углеродистая сталь, марки которой описаны ниже, широко применяется в различных отраслях. Выбор определенной марки углеродистой стали осуществляется, исходя из конкретной цели, в которой она будет использована. Это связано с тем, что каждая марка отличается своими характеристиками.

Классификация стали

Все углеродистые стали, в зависимости от области предназначения, разделяются на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали, и делятся по нескольким параметрам:

Метод раскисления.
Состав химических элементов.
Микроструктура.
Качество.

Согласно основным стандартам, углеродистые стали делятся на:

Конструкционную обычную.
Конструкционную качественную.
Инструментальную качественную.
Инструментальную высокого качества.

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.

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.

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:

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.

Маркировка стали

Все углеродистые согласно маркировке стали делятся на три категории:

Группа А. К ней относятся сплавы, соответствующие строго заданным механическим свойствам;
Группа Б. Стали этой группы четко соответствуют по химическому составу;
Группа В. Продукция этой группы должна соответствовать механическим, физическим и химическим свойствам одновременно.

У стали обыкновенного качества в начале обозначения стоят буквы Ст. За буквами Ст в маркировке идет цифровое обозначение. Цифра в маркировке обозначает номер марки металла. Далее, после номера, вписывается тип сплава. Обозначение типа сплава следующее:

КП – кипящий;
ПС – полуспокойный;
СП – спокойный.

Непосредственно перед буквенным обозначением сплава стоит буква, обозначающая группу стали. Если продукт относится к группе А, то буква не проставляется.

Для быстрого определения марки производитель наносит специализированной краской соответствующие полосы:

Ст0 – зеленая полоса + красная.
Ст1 – одна желтая + одна черная.
Ст3Гсп – коричневая + синяя.
Ст3 – красная.
Ст4 – черная.
Ст5Гпс – коричневая + зеленая.
Ст5 – зеленая.
Ст6 – синяя.

Степень наличия углерода в материале определяется в самом начале. Количество углерода для металла группы А указывается в сотых частях процента. Для Б и В – в десятых. В некоторых случаях после этих цифр производитель проставляет букву Г. Она означает, что в изделии содержится большое количество марганца.

Категории качественной стали

Качественные стали разной маркировки можно разделить на несколько категорий:

08пс, 08кп – имеют высокую пластичность. Хорошо подходят для холодной прокатки;
От 10 до 25 – используется для горячей штамповки или прокатки;
От 60 до 85 – применяется для выполнения ответственных конструкций, таких как рессоры, пружины, муфты сцепления;
30, 50, 30Г, 50Г – повышенной прочности, выдерживающие большие нагрузки.

Исключения в обозначениях

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

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.