Перечислить все марки стали, которые выпускает современная металлургия возможно, но сложно. Однако, несмотря на обширный перечень высокопрочных сплавов и экономнолегированных сталей, невысокая цена и универсальные механические и технологические свойства углеродистой стали по-прежнему обуславливают ее массовое производство и многовариантное применение в инжиниринге, энергетике, агрокомплексе и так далее.
Начнем с определения. Углеродистая сталь – это сплав, полученный соединением железа с углеродом (С до 2,14%) и содержащий в небольшом количестве марганец, кремний, а также переходящие из шихты серу, никель, хром, медь и прочие примеси. Ее главной и определяющей основные свойства составляющей является углерод, а концентрация примесей мала и не оказывает значимого влияния на ключевые характеристики промежуточного и конечного продукта. Может поставляться с нормальным и повышенным содержанием марганца.
Металлопрокат на складе
У таких сталей высокая критическая скорость закалки и небольшая прокаливаемость. Они имеют низкую стойкость против отпуска, невысокую теплостойкость и электропроводность. Под воздействием внешних факторов склонны к ржавлению и в них невозможно добиться сочетания высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью.
Основные свойства углеродистых марок определяются количеством содержащегося C. Чем выше его концентрация в сплаве, тем лучше прочностные показатели, но в то же время его увеличенная концентрация негативно отражается на параметрах пластичности и свариваемости, поэтому классификация стали по содержанию углерода является базовой. Согласно этому принципу их разделяют на следующие подкатегории.
Для этой группы сталей свойственно крайне низкое наличие углерода в составе – всего в пределах 0,025…0,25%. Благодаря этому она прекрасно сваривается всеми видами сварки, не склонна к отпускной хрупкости и флокенонечувствительна. После термообработки значительно повышает свою прочность, но может также легко потерять ее при последующем нагреве. Применяется, как правило, в малонагруженных деталях, для изготовления несущих и ненесущих элементов сварных металлоконструкций и сборных каркасов, а также в изделиях, подвергающихся химико-термической обработке (азотированию, цементации, нитроцементации и пр.).
Ее отличает средняя массовая доля углерода в интервале от 0,25 до 0,6%. Стали с таким содержанием C мало флокеночувствительны, но склонны к подкалке. Это вызывает некоторые трудности при их сварке и обуславливает необходимость применения предварительного или сопутствующего прогрева металла обрабатываемых изделий.
Металопрокат
В ее составе на долю углерода приходится 0,6…2,14 процента. И так как данный химический элемент в стали обычно находится в виде цементита (карбида железа Fe3С), то с увеличением его содержания твердость, прочность и упругость повышаются, но параметры пластичности и сопротивления удару понижаются, а также больше проявляются склонность к старению и хладноломкости. Соответственно, такая углеродистая сталь свойства свариваемости имеет очень низкие и крайне плохо обрабатывается.
В результате реакций, происходящих в жидком металле во время плавки, в стальном расплаве находится повышенное количество газов. В основном это кислород, водород, азот, монооксид углерода и продукты вторичных реакций, а их присутствие и характер распределения в затвердевшем металле негативно влияют на его химическую и структурную однородность и ухудшает отдельные свойства: предел прочности, ударную вязкость, усталостную прочность, пластичность и пр.
Дегазация и частично десульфорация стали осуществляется во время процесса раскисления в сталеплавильном агрегате, в изложницах и на установках «ковш-печь» под влиянием сильнодействующих раскислителей, которые вводят намеренно. Для углеродистых марок такими компонентами чаще всего выступают кремний и алюминий. Они являются сильными восстановителями по отношению к FeO, активно создают соединения с H2, N2 и CO, изменяют состав и количество выделяющихся из стали газов. Марганец также выступает раскислителем, но является не столь эффективным как Si и Al. Еще более глубокую дегазацию можно выполнить с применением специального оборудования – вакууматоров.
При добавлении раскислителей в расплав стали ее остывание в изложницах происходит более спокойно, то есть без бурного газовыделения. Это приводит к снижению газовых включений и минимизации концентрации локализующихся вокруг них вкраплений сульфидов и прочих неметаллических макро- и микровключений, которые повышают риски расслоения стали при прокатке. Соответственно, исходя из активности процесса дегазации стали во время ее кристаллизации углеродистые стали производятся в трех видах (в соответствии с классификацией, принятой в стандартах Украины и СНГ).
За счет максимального раскисления у них формируется плотная, относительно мелкозернистная и однородная структура. Поэтому они наиболее качественные и отличаются улучшенными физическими, механическими и технологическими свойствами.
Единственными минусами спокойных сталей можно назвать:
Обладают худшими показателями качества, так как имеют большую неоднородность по структуре и свойствам. У них гораздо выше порог хладноломкости, повышенная склонность к трещинообразованию после сварки. Их не рекомендуется использовать в конструкциях повышенного класса надежности и для агрегатов, рассчитанных на эксплуатацию при низких температурах. Тем не менее, благодаря меньшим расходам при производстве и потерям при дальнейшей переработке, такие стали по-прежнему широко используются при изготовлении неответственных изделий, эксплуатирующихся в нормальных условиях.
Швеллер
Стали этого вида являются частично раскислеными, поэтому они характеризуются усредненными показателями качества и основных физико-механических свойств. По сравнению со спокойными они менее затратны в производстве и дешевле, а по сравнению с кипящими – более удобны в обработке и надежны в эксплуатации.
Эта система, также принятая на основе отечественных стандартов ДСТУ и ГОСТ, предполагает разделение по способу выплавки, от которого зависит качество металла, и тут основным критерием выступает количество серы (S) и фосфора (P). Такой принцип классификации дает возможность точно регламентировать нормируемые показатели сплавов, исходя из условий применения и требований, выдвигаемых к ним.
Чтобы понять зачем и как классифицируются углеродистые стали по качеству, достаточно вспомнить, что на их структурную и химическую однородность влияет наличие неметаллических включений, обусловленных присутствием соединений S и P. Сера способствует красноломкости, провоцирует трещинообразование при сварке и снижает ударную вязкость, а фосфор увеличивает хладноломкость с одновременным упрочнением. Таким образом, чем больше таких примесей содержит сталь, тем активней проявляется негативное влияние этих элементов.
В их составе на долю углерода приходится не более 0,49%, на серу и фосфор – не более соответственно 0,050% и 0,040%. Могут производиться в сталеплавильных агрегатах любого типа. Поставляются с химическим составом согласно ДСТУ 2651/ГОСТ 380 в виде разнообразных фасонных профилей, горячекатаных прутков, проволоки, листов, полос и поковок.
Обычно прокат из таких сталей поставляется в горячекатаном или холоднокатаном состоянии, но для получения определенных свойств может подвергаться разной термообработке. Хотя, в виду отсутствия значительного количества легирующих элементов в составе сплава, слишком значительного прироста свойств она не дает.
Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ДСТУ 2651/ГОСТ 380
|
Сталь |
Массовая доля основных компонентов в процентах |
||
|
C |
Mn |
Si |
|
|
Ст0 |
до 0,23 |
– |
– |
|
Ст1кп |
0,06…0,12 |
0,25…0,50
|
0,05 и менее |
|
Ст1пс |
0,05…0,15 |
||
|
Ст1сп |
0,15…0,30 |
||
|
Ст2кп |
0,09…0,15 |
0,05 и менее |
|
|
Ст2пс |
0,05…0,15 |
||
|
Ст2сп |
0,15…0,30 |
||
|
Ст3кп |
0,14…0,22 |
0,30…0,60 |
0,05 и менее |
|
0,40…0,65 |
0,05…0,15 |
||
|
0,15…0,30 |
|||
|
Ст4кп |
0,18…0,27 |
0,40…0,70
|
0,05 и менее |
|
Ст4пс |
0,05…0,15 |
||
|
Ст4сп |
0,15…0,30 |
||
|
0,28…0,37 |
0,50…0,80 |
0,05…0,15 |
|
|
0,15…0,30 |
|||
|
Ст6пс |
0,38…0,49 |
0,05…0,15 |
|
|
Ст6сп |
0,15…0,30 |
||
Содержат серу и фосфор не более 0,040% и 0,035% соответственно. Горячекатаный и кованый прокат из таких сталей поставляется с химическим составом и механическими свойствами согласно ДСТУ 7809/ГОСТ 1050 (в части химии стандарт также распространяется на полуфабрикаты, трубы, штамповки и другие виды металлоизделий). Качественные конструкционные стали также выплавляются в агрегатах любого типа, но только в процессе их выплавки особенно контролируют соблюдение всех технологических этапов и строго подходят к составу исходных материалов и методам доводки сплава.
Качественные стали обладают хорошей пластичностью, выносливостью, достаточной ударной вязкостью и высокими пределами текучести. Лучше сопротивляются износу и после термообработки характеризуются достаточной твердостью поверхностных слоев.
Химический состав и механические свойства некоторых марок углеродистой конструкционной качественной стали по ДСТУ 7809/ГОСТ 1050
|
Химический элемент/ Параметр |
Марка |
|||||||||||
|
08 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
|
|
Химический состав по ковшовой пробе, % |
||||||||||||
|
Углерод |
0,05-0,12 |
0,07-0,14 |
0,12-0,19 |
0,17-0,24 |
0,22-0,30 |
0,27-0,35 |
0,32-0,40 |
0,37-0,45 |
0,42-0,50 |
0,47-0,55 |
0,52-0,60 |
0,57-0,65 |
|
Кремний |
0,17-0,37 |
|||||||||||
|
Марганец |
0,35-0,65 |
0,35-0,65 |
0,35-0,65 |
0,35-0,65 |
0,50-0,8 |
0,50-0,8 |
0,50-0,8 |
0,50-0,8 |
0,50-0,8 |
0,50-0,8 |
0,50-0,8 |
0,50-0,8 |
|
Фосфор |
≤ 0,035 |
|||||||||||
|
Сера |
≤ 0,040 |
|||||||||||
|
Хром |
≤ 0,10 |
≤ 0,15 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
|
Никель |
≤ 0,30 |
|||||||||||
|
Медь |
≤ 0,20 |
|||||||||||
|
Механические свойства* |
||||||||||||
|
Предел текучести σт, Н/мм2 |
196 |
205 |
225 |
245 |
275 |
295 |
315 |
335 |
355 |
375 |
380 |
400 |
|
Временное сопротивление σв, Н/мм2 |
320 |
330 |
370 |
410 |
450 |
490 |
530 |
570 |
600 |
630 |
650 |
680 |
|
Относительное удлинение δ5, % |
33 |
31 |
27 |
25 |
23 |
21 |
20 |
19 |
16 |
14 |
13 |
12 |
|
Относительное сужение Ψ, % |
60 |
55 |
55 |
55 |
50 |
50 |
45 |
45 |
40 |
40 |
35 |
35 |
Примечание: *Механические свойства сталей оценивают по результатам проведенных испытаний на образцах. Полученные характеристики необходимы при разработке технологических режимов, расчете и проектировании элементов оборудования, контроле качества металлоизделий.
Данные о том, какими по качеству производят углеродистые конструкционные стали, позволяют объективно оценить свойства и качественные показатели конечной металлопродукции. Но чтобы при производстве изделий, полуфабрикатов, комплектующих, запасных частей и конструкций изготовители смогли обеспечить им должный уровень технологичности, надежности и безопасности, необходимо руководствоваться тем, где, как и в каком виде будет использоваться сталь углеродистая. Для этого ее в системе стандартов Украины и СНГ классифицируют на две следующие подгруппы.
Обширная группа, включающая марки стали, использующиеся для металлоконструкций, деталей и комплектующих механизмов, устройств, предметов быта. Они должны хорошо сопротивляться удару и обрабатываться, отличаться оптимальным соотношением достаточной прочности, пластичности и долговечности. По качественным признакам конструкционные углеродистые стали включают марки обыкновенного качества и качественные. Выбираются с учетом параметров прочности в широком смысле, а также глубины прокаливаемости, величины ударной вязкости и износостойкости и пр.
Уголок
Широко применяются для штамповой оснастки, ручного и механического режущего инструмента, очень ограниченно – для измерительного. Поставляются с химическим составом согласно ДСТУ 3833/ГОСТ 1435 и используются преимущественно в термообработанном виде.
Инструментальная углеродистая сталь состав основных химических элементов имеет схожий с конструкционными марками. Только обычно в их составе 0,65…1,35% углерода, а на долю серы и фосфора приходится не более 0,028 и 0,030% в случае качественных сталей и не более 0,018% и 0,025% для высококачественных соответственно. Отличаются повышенными прочностными параметрами, твердостью, а также хорошей износоустойчивостью и стойкостью к малым пластическим деформациям. Их наружные слои хорошо прокаливаются, при этом сердцевина сохраняет относительную вязкость, препятствуя преждевременному разрушению инструмента.
На данный момент единая международная маркировка металлических сплавов отсутствует, и каждая страна/регион использует как собственные, так и межгосударственные системы. Как правило, они основываются либо на химическом составе, либо на назначении сплава с указанием гарантированного уровня основных свойств.
В Украине, как и в странах-участницах СНГ, при заказе металлопродукции, в проектно-конструкторской и другой документации маркировка углеродистых сталей выполняется по первому принципу с использованием буквенно-цифровой системы. Причем буквенным сокращением «Ст» принято обозначать стали обыкновенного качества, а идущие следом цифры от 0 до 6 – это номер сплава, условно присвоенный на основе состава химических элементов. Для маркировки качественных сталей используют двухзначные номера, порядок которых говорит об усредненном количестве углерода в сотых долях процентах.
Для обозначения степени раскисления после номера прописывают соответствующие индексы – кп (кипящая), пс (полуспокойная), сп (спокойная). В случае, если в составе находится увеличенная массовая доля марганца (от 0,80% и выше), то после цифрового обозначения ставится буква «Г». В то же время наличие буквы «А» в маркировке указывает, что углеродистая сталь отличается хорошей обрабатываемостью. Такие сплавы часто называют автоматными, так как они отлично зарекомендовали себя при серийном производстве деталей, использующем обработку на высокоскоростных металлорежущих станках с ЧПУ и автоматических станочных линиях.
Для обозначения инструментальных углеродистых сталей принято использовать «У» в начале маркировки. После нее традиционно идут одна или две цифры, числовой порядок которых отражает количество углерода в десятых долях процента.
Иногда в обозначении углеродистых сталей после цифрового кода можно увидеть и другие буквенные обозначения. Они указывают следующее:
По правилам Евросоюза классификация и маркировка углеродистых сталей более сложные. Так, первая часть EN 10027 регламентирует порядок наименования на основе буквенно-цифровых обозначений исходя из их назначения, физических и механических свойств (первая группа) и химических свойств (вторая группа). EN 10027-2 характеризует порядок присвоения цифровых кодов, где марки углеродистой стали обыкновенного качества имеют номер 1.00ХХ, качественные – 1.01ХХ…1.09ХХ, инструментальные – 1.15ХХ…1.18ХХ.
Но во многих странах действуют сразу несколько систем. Например, в США стали маркируют, руководствуясь многочисленными стандартами, но наиболее применяемыми являются ASTM, AISI, SAE, ASME. Японская система еще недавно широко использовалась в странах Юго-Восточной Азии, но постепенно отмечается переход на собственные стандарты.
Принцип наименования сталей группы 1 по EN 10027-1
Примечание: *данные указаны в качестве примера
Приведем несколько примеров, как маркируются конструкционные углеродистые качественные стали, а также инструментальные и обыкновенного качества по отечественной системе.
Ключевое различие между такими сталями – параметры коррозионной стойкости, которую напрямую определяют качественный и количественный химический состав. При этом:
Арматура
Соответственно, в тех случаях, когда для конечного пользователя крайне важна коррозионная стойкость металлоизделий, выбор очевиден и необходимо использовать специальные стали или материалы с покрытиями, рассчитанные на жесткие условия работы (высокая влажность, соляной туман, наличие в окружающей среде химических веществ и пр). В других случаях выбор «нержавейка» или углеродистая сталь необходимо делать на основе технико-экономического сравнения.
Благодаря ценовой доступности и универсальным характеристикам сталь углеродистая относится к широко используемым материалам. Она представляет особую ценность для строительства, добывающей и обрабатывающей промышленности, а также очень разнообразно применяется в агрокомплексе, лесном хозяйстве, энергетике и пр. И так как перечислить все варианты их использования практически нереально, поэтому назовем основные и наиболее типовые варианты.
Примеры применения углеродистых сталей
|
Марки |
Назначение* |
|
Конструкционная сталь углеродистая обыкновенного качества |
|
|
Ст0 |
Сварные конструкции неответственного назначения, настилы, шайбы, обшивки, ограждения |
|
Ст1 |
Сварные конструкции, анкерные болты, связывающая обшивка |
|
Ст3, Ст4 |
Арматура, детали рекуператора, оси роликов конвейеров разливочных машин, шестерни, втулки, вкладыши, рычаги различных индустриальных механизмов, элементы вагонных рам и мостовых ферм и прочие несущие элементы сварных и несварных металлоконструкций |
|
Ст5 |
Шестерни, валки, ролики рольгангов, соединение шпинделей, фитинги, шайбы, упоры, пальцы, ручки, тяги, крышки, цапфы |
|
Ст6 |
Нажимные винты, валы, ролики, опорные валки, поршни, ломы, вкладыши |
|
Конструкционная сталь углеродистая качественная |
|
|
16К, 18К |
Детали и корпуса сосудов, работающих под давлением |
|
15, 20 |
Плоские шаблоны, скобы, оси, рычаги, элементы трубных соединений, червяки, фланцы |
|
25 |
Корпусы и обшивка аппаратуры, фланцы запорной арматуры, детали крепежа, штифты, цилиндры |
|
30 |
Траверсы, рычаги, диски, шпиндели, хомуты, кулачки, балансиры, пальцы, прессы |
|
50 |
Шестерни, валки прокатных станов, штоки, ходовые винты, вагонные бандажи, корпусы форсунок |
|
60 |
Вагонные колеса, валки листовых станов, диски сцепления, установочные и опорные шайбы, проволока для тросов |
|
75 |
Колеса грузоподъемных механизмов, замки сцепления, пружины клапанов автомобильных двигателей |
|
Инструментальная сталь углеродистая |
|
|
У7А |
Инструменты для обработки древесины, штампы, центры токарных станков, клейма, масштабные линейки |
|
У11 |
Простые вытяжные штампы и небольшой высадочный инструмент |
|
У11А |
Иглы, пилы, мелкие ручные метчики, фрезы, плашки, пилы по металлу |
|
У12А |
Напильники, рашпили, штампы диаметром до 25 мм, шаберы |
*Примеры приведены для общей информации и не отражают использование указанных марок в термообработанном или термически необработанном состоянии.
Данные в таблице лишь частично отражают возможное применение углеродистых сталей. В целом их значимость для современного общества громадна. Только благодаря их массовому производству нас окружает обширная инфраструктура электрических сетей, покорены водные потоки, а в домах появилась многочисленная бытовая техника.
Зная, что такое углеродистая сталь, можно смело делать вывод о том, что это технологичный продукт, который приносит существенную экономическую выгоду. Она производится из недефицитных компонентов и не столь затратна в производстве как легированные, а в термически упрочненном состоянии характеризуется довольно высокими параметрами прочности и поверхностной твердости.
Для современных металлоконструкций выбор стали осуществляется на основе глубокого анализа свойств и особенностей, так как только в таком случае возможно обеспечить их долговечность и необходимый уровень надежности при эксплуатации в широком температурном диапазоне и при воздействии расчетных динамических и статических нагрузок. И в данном вопросе менеджеры компании «Метинвест-СМЦ» всегда готовы помочь своим клиентам и подсказать для каких целей подойдет та или иная углеродистая сталь и какие ее свойства необходимо ставить в приоритет.
Мы рады, что вы заинтересовались информацией из нашего блога. И даем согласие на использование материалов для учебных целей или для личного пользования. Однако предупреждаем, что копирование информации для публичного распространения – это нарушения авторского права и других прав интеллектуальной собственности, согласно Бернской конвенции и Закона Украины об авторском праве №3792-XII.
