Углеродистые стали

Углеродистые стали

Углеродистые стали — это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам:

По способу раскисления (см. ниже)

Стали обыкновенного качества

Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1, . Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полу­спокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали.

В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают.

Качественные углеродистые стали

Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050—74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических вклю­чений и газов, макро- и микроструктуры.

Качественные углеро­дистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15, . 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях про­цента с указанием степени раскисленности (кп, пс).

Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). При обозна­чении последних в конце марки ставится буква Г, например 60 Г. Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются:

• низкоуглеродистые (до 0,25 % С),
• среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С)
• высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высоко­качественные стали с еще более низким содержанием серы и фос­фора. Низкое содержание вредных примесей в высококачествен­ных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производ­ство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высоко­качественных сталей в конце марки добавляется буква А, напри­мер сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7—1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их марки­руют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

По способу раскисления

Кипящие
Содержат до 0,05% кремния, раскисляются марганцем. Имеют резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Их преимущества – высокий выход годного продукта (более 95%), хорошая способность к штамповке в холодном состоянии. Недостатки –повышенный порог хладноломкости и невозможность широкого использования для территорий с холодным климатом.

Полуспокойные
Содержат 0,05- 0,15% кремния, раскисляются марганцем и алюминием, выход годного продукта –90-95%.

Спокойные
Содержит 0,15-0,35% кремния, раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного – около 85%, однако, металл имеет более плотную структуры и однородный химический состав.

Углеродистая сталь – высокая прочность

Углеродистой сталью называют конструкционную или инструментальную сталь, в состав которой входит железо (до 99%) и углерод (до 2%), при этом в сплаве нет или почти нет легирующих добавок.

Нормы содержания различных химических элементов в сплавах углеродистой стали указаны на изображении ниже:

Виды сплавов углеродистой стали подразделяются по содержанию углерода, качеству и степени раскисления.

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.

Виды углеродистой стали по виду и качеству

Углеродистая сталь производится по различным технологиям, что ведёт к их разделению по качественным характеристикам. Различают два вида стали:

• конструкционная;
• инструментальная.

Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,65-0,70% углерода (в виде исключения также выпускается конструкционная сталь с содержанием 0,85% углерода). Она достаточно прочная, хорошо сопротивляется удару, а также хорошо обрабатывается.

Конструкционные углеродистые стали широко применяются в промышленности: их применяются для изготовления элементов конструкций машиностроительного и строительного назначения, детали для оборудования, крепёжные детали и многое другое.

Её также делят по качеству на 3 вида:

1. Обыкновенного качества – сталь широкого применения, которая подходит для производства крепёжных деталей, труб, строительных конструкций, листового проката и т.д.
2. Повышенного качества – применяется для изготовления котлов, паровозных и вагонных осей, проволоки и т.д.
3. Качественная – подходит для деталей, требующих высокой пластичности и сопротивления удару, применяемых при повышенном давлении, например, труб, болтов, винтов, зубчатых колёс и т.д.

Инструментальная углеродистая сталь отличается содержание углерода от 0,7% и выше. Такой тип стали твёрдый и прочный, что делает его подходящим для производства инструмента. Подразделяется на качественную (сера 0,03%, фосфор 0,035%) и высококачественную (сера 0,02%, фосфор 0,03%).

Сферы применения инструментальной стали

Виды углеродистой стали по степени раскисления

Степень раскисления – это ещё один фактор, влияющий на разделение углеродистых сталей по типам. Всего их 3 типа: спокойные, полуспокойные и кипящие.

Спокойные стали отличаются более однородной внутренней структурой – их расклисление осуществляется добавлением в расплавленный металл ферросилиция, ферромарганца и алюминия. В составе практически нет закиси железа. Структура мелкозернистая за счёт остаточного алюминия. В итоге получается качественный металл, подходящий для изготовления наиболее ответственных деталей и конструкций. Однако у сплавов этого типа есть существенный недостаток – их выплавка обходится достаточно дорого.

Кипящие углеродистые стали – более дешёвая, но и менее качественная альтернатива спокойным сплавам. При их выплавке используется минимальное количество специальных добавок, а процесс раскисления в печи не доводится до конца, в результате чего в структуре кипящей углеродистой стали присутствуют растворённые газы, негативно влияющие на её характеристики.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение и по свойствам, и по степени раскисления. Перед заливкой в изложницы в состав добавляется небольшое количество раскислителей – благодаря этому металл затвердевает практически без кипения, при этом в нём продолжается процесс выделения газов. В итоге, в структуре полуспокойной углеродистой стали меньше газовых пузырей, чем в кипящей стали. Чаще всего полуспокойные углеродистые стали применяют в качестве конструкционных материалов.

6.2 Углеродистые стали

Сталь является одним из основных конструкционных материалов в машиностроении. Широкое применение сталей обусловлено главным образом сочетанием ценного комплекса их механических, технологических и эксплуатационных свойств.

В настоящее время металлургической промышленностью выплавляется около 2000 различных марок сталей и сплавов на основе железа, удовлетворяющих запросы многих отраслей техники. На долю углеродистых сталей приходится около 80 % от общего объема выплавки.

В сталях, кроме железа, присутствуют и другие постоянные примеси, что обусловлено особенностями технологии их выплавки. Свойства стали определяются количеством присутствующих в ней элементов, а также их взаимодействием с железом и углеродом.

Основным элементом, определяющим свойства стали, является углерод.

Изменение механических свойств стали в зависимости от содержания углерода (для медленно охлажденных сталей) приведено на рис.24. Как видно, с увеличением содержания углерода, твердость сталей увеличивается, однако уменьшается пластичность. Прочность стали повышается лишь до содержания углерода 0,8…1,0%, а при его дальнейшем увеличении прочность начинает резко снижаться. Поэтому хотя теоретически стали могут содержать до 2,0% углерода, однако в практике применяются стали, в которых содержание углерода не превышает 1,3%. С увеличением количества углерода увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается содержание феррита, что обуславливает увеличение прочности и твердости и уменьшение пластичности сталей. При этом наибольшая прочность наблюдается у сталей с содержанием углерода около 0,8…0,9%. Однако, при более высоком содержании углерода на границах зерен в заэвтектоидных сталях образуется сетка вторичного цементита, что и обуславливает, снижение прочности стали.

Поэтому стали с низким содержанием углерода пластичны, они хорошо обрабатываются давлением, хорошо свариваются, но плохо обрабатываются резанием. Повышение содержания углерода улучшает обрабатываемость резанием. Наилучшие литейные свойства имеют стали с содержанием углерода 0,2…0,5%.

Кроме углерода в сталях присутствуют кремний, марганец, фосфор и сера. Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т.е. для удаления закиси железа FeO. Углеродистые стали, обычно содержат марганца до 0,7…0,8% и около 0,5% кремния. Присутствие этих элементов в таком количестве практически не оказывает влияния на механические свойства сталей.

Сера и фосфор являются вредными примесями. Содержание более чем 0,05 % каждого из этих элементов резко ухудшает качество сталей.

Вредное действие серы связано с явлением повышенной хрупкости стали (образование трещин) в горячем состоянии при ковке и штамповке. Это явление называют красноломкостью стали. Сера попадает в сталь главным образом с исходным сырьем-чугуном. Сера, соединяясь с железом, образует эвтектику, температура плавления которой 988°С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 800°С (т.е. до температур красного каления) эвтектика плавится, вследствие чего сталь становится хрупкой.

Вредное влияние фосфора заключается в резком увеличении хрупкости стали при обычных температурах. Это явление называют хладноломкостью. Возникает оно в результате того, что фосфор, растворяясь в феррите, существенно увеличивает его хрупкость при обычных температурах. Однако для облегчения обрабатываемости некоторых видов сталей с содержанием углерода до 0,3% допускается повышенное содержание фосфора (до 0,15%).

Стали классифицируют по химическому составу, содержанию углерода, структуре и назначению.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные.

По содержанию углерода те и другие стали подразделяют на низкоуглеродистые (меньше 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3…0,7% С) и высокоуглеродистые (более 0,7% С).

При классификации сталей по структуре учитывают особенности ее строения после термической обработки. По этому признаку стали подразделяют на перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный классы.

По назначению углеродистые стали подразделяют на конструкционные и инструментальные (будут рассмотрены ниже).

Углеродистые конструкционные стали выпускают обыкновенного качества и качественные. Стали обыкновенного качества являются наиболее дешевыми сталями, они выплавляются по нормам массовой технологии, в них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями.

Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (трубы, прутки, листы, уголки, швеллеры и т.п.).

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств эти стали подразделяются на группы А, Б и В. Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой от 0 до 6, показывающей номер марки.

Стали группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами и маркируют следующим образом: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Химический состав этой группы сталей не указывается. В марочном обозначении могут добавляться индексы сп, кп, пс, указывающие степень раскисления сталей (спокойные, кипящие, полуспокойные), например Ст3сп.

Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют. Механические свойства сталей группы А приведены в табл.2.

Из таблицы следует, что с увеличением номера марки повышается прочность и улучшается пластичность стали.

Стали группы А используют для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой (сваркой, ковкой и др.). В этом случае они сохраняют исходную структуру и механические свойства, полученные на металлургическом заводе и гарантируемые стандартом.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом. Механические свойства не гарантированы. Эти стали применяются для изделий, изготовляемых с применением горячей обработки (ковки, сварки, термической обработки). При этом исходная структура и механические свойства стали не сохраняются, поэтому ей необходимо их регламентировать. В этом случае важен химический состав стали, поскольку именно он определяет технологические режимы ее обработки. Выпускаются эти стали марок от БСт0 до БСт6.

Стали группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали этой группы, применяются для изделий, подвергаемых сварке. В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными на участках изделий, не подвергаемых нагреву при сварке. В зоне же влияния сварки свойства металла изменяются, и для потребителя важно знать химический состав стали, в зависимости от которого определяется режим сварки и конечные механические свойства. Механические свойства и химический состав сталей группы В в холодном состоянии должны соответствовать нормам для сталей аналогичных марок групп А и Б.

Выпускают стали группы В марок от ВСт1 до ВСт5.

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех 3-х групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и механизмов. Из сталей групп Б и В изготавливают сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции, а также различные детали для сельскохозяйственных и грузоподъемных машин. Некоторые детали из сталей групп Б и В подвергают термической обработке.

Стали углеродистые качественные конструкционные выплавляются с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки, чем стали обыкновенного качества. Они поставляются в виде проката, поковок, и других полуфабрикатов с гарантией химического состава и механических свойств. Эти стали имеют более низкое содержание, чем стали обыкновенного качества, вредных примесей (фосфора и серы) и неметаллических включений. Маркируются стали двухзначными числами 08, 10, 15, 20…, 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 45 содержит в среднем 0,45% углерода (от 0,42 до 0,5%). Характеристика некоторых механических свойств сталей этих категорий приведена в табл. 3.

Стали углеродистые качественные применяются для изготовления самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Различные виды термической обработки (будут рассмотрены ниже) позволяют существенно повысить прочностные и эксплуатационные свойства деталей машин из сталей этой группы.

Для изготовления крепежных и других мелких деталей типа болтов, винтов, гаек, осей, втулок и др. применяют стали, характеризующиеся повышенным содержанием фосфора и серы. Они отличаются хорошей обрабатываемостью вследствие образования ломкой стружки и отсутствием налипания металла на рабочую часть режущего инструмента. Стали этого типа называют автоматными и обозначают буквами А, например, А12, А20, А30 и др

Технические характеристики углеродистой стали 45

Если расшифровать марку стали 45, можно понять, что цифрами обозначено количественное содержание углерода. Обычно оно колеблется в пределах от 0,42 до 0,5%. В составе сплава присутствуют и другие компоненты, концентрация некоторых из них незначительна и не оказывает особого влияния на свойства материала:

• кремний – 0,17 – 0,37%;
• марганец – 0,5-0,8%;
• хром, медь и никель – до 0,25%;
• мышьяк – до 0,08%.

По своим характеристикам сталь 45 относится к классу углеродистых качественных сталей. На уровень качества в маркировке указывает слово «сталь». Показатель определяется содержанием вредных примесей: серы – 0,04%; фосфора – 0,035%.

Встраиваясь в кристаллическую решетку металла, атомы Р и S оказывают негативное действие на его свойства. Фосфор становится причиной появления хладноломкости при низкой температуре и уменьшения пластичности при ее повышении. Сера при эксплуатации в высокотемпературном режиме способствует возникновению трещин. Марка стали 45 соответствует допустимому уровню содержания этих элементов. Для высококачественных сплавов, например, содержание вредных примесей не должно превышать 0,025%.

Заменители сплава

Согласно ГОСТу 1050-78, регламентирующему степень раскисления, сталь 45 относится к категории спокойных. Отечественными заменителями конструкционной стали 45 могут выступать марки:

• 40Х;
• 50;
• 50Г2.

• 1044, М1044, 1045Н – в Соединенных Штатах;
• 1.0503, 1.1193, С45Е – Германии;
• 1С45, С40Е, ХС42Н1 – Франции;
• 1С45, С45Е – Италии;
• 1650 – Швеции;
• 060А47, 080М – Англии;
• Ck45 – Швейцарии;
• S45C, SWRCH48K – Японии;
• 45Н, ZGD345-570 – Китае;
• А3 – Венгрии;
• 12050 – Чехии;
• К1042 – Австралии;
• SM48С – Южной Корее.

На рынок металл поставляется в соответствии с государственными стандартами в виде:

• Фасонного и сортового проката;
• калиброванного и шлифованного прутка;
• серебрянки;
• толстого и тонкого листа;
• проволоки;
• лент и полос;
• кованых заготовок;
• труб.

Основные свойства

Химические свойства стали 45 определяются ее составом. От количества углерода зависят показатели твердости и прочности. Присутствие кремния и марганца:

• снижает внутренние напряжения в структуре металла;
• улучшает его пластичность;
• снижает вероятность возникновения трещин;
• положительно влияет на результат термообработки.

Наличие малых количеств других примесей неизбежно, оно вызвано, главным образом, несовершенством существующих технологий выплавки.

Физические свойства стали 45 изменяются с повышением температуры от 20 до 800 градусов:

• плотность – 7826-7595 кг/м 3 ;
• коэффициент линейного расширения – 11,9-15,2*106 1/град;
• модуль упругости – 2,0-1,72*10-5 МПа;
• коэффициент теплопроводности – 48-26 Вт/м*град;
• удельная теплоемкость – 473-720 Дж/кг*град;
• твердость необработанной стали по Роквеллу – 20-22 единицы.

По своим механическим свойствам сталь 45 превосходит многие известные конструкционные сплавы:

• предел текучести – 640 МПа;
• предел выносливости – 245 МПа;
• показатель ударной вязкости – 66 кДж/м 2 ;
• величина относительного удлинения – 15%;
• относительного сужения – 40%;
• отсутствует склонность к отпускной хрупкости;
• чувствительность к образованию флокенов небольшая.

Сталь проявляет высокую устойчивость к ударным и переменным нагрузкам. Хорошая пластичность позволяет применить к ней все виды механической обработки. Однако материал не отличается повышенной антикоррозионной стойкостью и требует нанесения на поверхность защитного покрытия.

По свариваемости сплав относится к 3 группе. Процесс сварки требует предварительного подогрева до 150-200 градусов и последующей термообработки. Иначе сварные швы будут нестабильны и подвержены возникновению трещин.

Термическая обработка

Для улучшения физико-механических свойств стали 45 применяются разнообразные режимы термической обработки, в ходе которых происходит структурная перестройка кристаллической решетки. При термообработке необходимо учесть следующие факторы:

• выбор правильного температурного режима не допустит перегрева и появления окалины;
• от скорости нагрева зависит, какие именно характеристики приобретает металл;
• продолжительность выдержки определяется критическими точками, формой и размерами заготовки;
• качество изделия зависит от среды, в которой проходило его охлаждение.

В качестве предварительного этапа термообработки используется нормализация. Она облегчает механическую обработку металла.

Температура закалки стали 45 составляет 820-860 градусов. После нагрева изделие сразу помещается в охлаждающую среду, в качестве которой могут быть использованы:

• чистая вода;
• растворы солей;
• минеральное масло.

Процесс охлаждения должен проходить быстро и строго по графику. Закалка повышает твердость сплава в 2-2,5 раза и увеличивает его износоустойчивость.

Сразу после закалки проводится отпуск, который поможет:

• снять остаточные напряжения в металле, возникшие после закалки;
• увеличить степень его вязкости;
• снизить хрупкость.

Одновременно немного уменьшается и твердость металла. Добиться высоких значений прочности и износостойкости помогает низкий отпуск при 250 градусах.

Область применения

Благодаря характеристикам применение стали 45 затрагивает многие сферы, в частности, машиностроение. Почти 50% продукции отрасли изготавливается из этой стали:

• конструкции различного диаметра, подверженные вращательным движениям;
• детали сложных форм, испытывающие интенсивные механические нагрузки;
• крепежные изделия, на поверхность которых действует избыточное поперечное давление;
• листовой материал, который используется для обшивки несущих элементов.

Сталь востребована в производстве:

• коленчатых и распределительных валов;
• шестерен и шпинделей сложной конфигурации;
• цилиндров и кулачков;
• осей и гаек;
• болтов, шайб.

При обслуживании и смазке этих изделий следует помнить о низкой коррозийной устойчивости металла.

Преимущества и недостатки

Свойства стали 45 определяют ее преимущества:

• при большом функционале материал отличается вполне доступной ценой;
• благодаря небольшой плотности конструкции получаются достаточно легкими;
• детали, изготовленные из стали 45, способны эффективно работать в диапазоне температур от 200 до 400 градусов;
• при использовании защитного покрытия сплав можно использовать в неблагоприятных климатических условиях;
• хорошо поддается механической обработке;
• характеризуется высоким пределом износоустойчивости и прочности.

Среди недостатков марки стали 45 следует отметить трудную свариваемость и неустойчивость к коррозии.