Стали углеродистые, нелегированные

Главная > Справочник > Марки стали

Стали легированные и специальные сплавы Стали низколегированные

В эту группу входит обширный перечень сталей. Они не содержат значительного количества дорогостоящих и дефицитных легирующих компонентов и поэтому малозатратны в производстве. Благодаря ценовой доступности и достаточно высокому уровню физико-механических свойств углеродистые марки являются общедоступными и широко применяются для производства металлопроката и другой стальной продукции, востребованы в строительстве, инжиниринге, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности.

Определение

Углеродистая нелегированная сталь –железоуглеродистый сплав, в котором доля углерода составляет от 0,025 до 2,14%. В ней отсутствуют специально введенные легирующие элементы, но присутствуют раскислители и технологические примеси. В целом количество других компонентов, кроме железа (Fe) и углерода (С), в нелегированных сталях обычно не превышает1,5%.

На углеродистые стали классификация разнится в зависимости от используемой системы стандартов и области применения данных марок. Например, в стандартах СНГ и ДСТУ на их основе (о которых и пойдет речь далее) предполагается разделение сразу на несколько групп. При этом категории охватывают различные марки сталей со схожими качествами и технологическими характеристиками, что упрощает выбор на практике и позволяет потребителю ориентироваться в широком и разнообразном марочном ассортименте.

Классификация углеродистых сталей

Классификация углеродистых сталей в стандартах Украины и стран СНГ

Классификация углеродистых сталей по количеству углерода

Как химический элемент, углерод существенно влияет на ключевые технологические характеристики сталей. И на основе его массовой доли их классифицируют на:

низкоуглеродистые. Содержат углерод в количестве менее 0,25%. Они хорошо свариваются, флокенонечувствительны и не склонны к отпускной хрупкости. Пластичны, но менее прочны в сравнении с марками, имеющими больше углерода в своем составе;
среднеуглеродистые. Содержат углерод в пределах 0,3…0,6%. Отличаются невысокой прокаливаемостью и средними параметрами прочности, пластичности и свариваемости. Для улучшения комплекса механических свойств могут подвергаться различным видам термической обработки;
высокоуглеродистые. В них концентрация углерода превышает 0,6%. Имеют высокую твердость, ударную вязкость и износостойкость. Отличаются низкой пластичностью и считаются трудносвариваемыми.

У углеродистых сталей классификация и маркировка достаточно несложная, но все же простому потребителю для того, чтобы в них ориентироваться, необходимо обратиться к нормативной документации либо опытным специалистам.

Классификация по способу раскисления

Процесс раскисления стали является важным технологическим этапом, определяющим характер и однородность металлической структуры. Он тесно связан с дегазацией расплавленного метала и основан на введении специальных элементов-раскислителей – кремния, марганца, алюминия и др.

По степени раскисления углеродистые стали, которые производятся в соответствии с требованиями стандартов Украины и стран СНГ, разделяются на три вида:

кипящие. Наименее раскисленные и, соответственно, наиболее дешевые марки. Проявляют наибольшую склонность к старению, а также к трещинообразованию после сварки;
полуспокойные. Раскилены не до конца и поэтому по своим параметрам и качеству занимают среднее положение между кипящими и спокойными сталями;
спокойные. Являются наиболее раскисленными и качественными, так как отличаются структурной и химической однородностью. Более дорогие, но по сравнению с кипящими и полуспокойными обладают лучшими технологическими характеристиками, а иногда и более высокими механическими свойствами.

Классификация по качеству

Нелегированная сталь разделяется на марки обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Классификация выполняется на основе качественных характеристик металла, которые в основном формируются на стадии выплавки и определяются содержанием вредных технологических примесей фосфора (P) и серы (S).

Углеродистые стали обыкновенного качества. В их составе количество постоянных технических примесей серы и фосфора лежит в пределах 0,04…0,06%. Они могут выплавляться в мартеновских, кислородно-конвертерных и электродуговых печах. Поставляются согласно ДСТУ 2651/ГОСТ 380, обозначаются буквами «Ст» (например, Ст3пс). Стандарт допускает определенную химическую неоднородность сплава и повышенное содержание марганца (Mn).
Качественные стали. Их отличает пониженное содержание серы и фосфора, количество которых строго контролируется и не должно превышать 0,040% и 0,035% соответственно. Обладают улучшенными механическими характеристиками. Могут выплавляться в разных сталеплавильных агрегатах промышленного типа. Поставляются в соответствии с ДСТУ 7809, ГОСТ 1050 (примером обозначения таких сталей могут служить марки 08пс, 15, 45) и другими национальными и межгосударственными стандартами.
Высококачественные и специальные стали. Марки со строго регламентированным содержанием серы и фосфора (которое может отличаться от стандарта к стандарту) и однородной структурой. Массовая доля S и P в них обычно не превышает 0,025-0,030%.

Классификация по назначению

Углеродистые конструкционные стали характеризуются широкой гаммой марок с различными механическими свойствами и составом, которые подбираются в соответствии с требуемыми параметрами конечных изделий. Они предназначены для единичного и массового изготовления сварных и сборных строительных и машиностроительных металлических конструкций, а также для производства различных деталей машин и агрегатов.

Среди конструкционных углеродистых сталей также выделяют следующие марки:

литейные. Используются для изготовления отливок;
котельные. Их целевое назначение – детали и конструктивные части котлов, арматуры и сосудов, работающих под давлением;
автоматные. Отличаются улучшенной обрабатываемостью, легко поддаются резанью и снижают износ инструментальной оснастки. Поэтому их широко используют для автоматизированного производства деталей на универсальных и специальных станках.

Инструментальная углеродистая сталь применение имеет более специфическое и характеризуется высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Такие марки обычно содержат углерод в пределах 0,7…1,5% и могут использоваться для изготовления режущего и измерительного промышленного и лабораторного инструмента, штамповочной оснастки и пробойников.

Состав и характеристики

Исходя из определения что такое углеродистая сталь понятно, что основными элементами в ее составе являются железо (Fe) и углерод (C). Но на свойства нелегированных марок влияют и другие компоненты, которые попадают в состав расплава либо путем целенаправленного введения, либо в виде технологических примесей. Конечно, их действие проявляется не столь значительно, как в легированных сталях, тем не менее они также в определенной степени могут влиять на качество сталей.

Перечень основных компонентов углеродистых сталей

Химический элемент	Свойства
железо	Основний елемент. У вуглецевих сталях його масова частка перевищує 97-98%.
углерод	Элемент, определяющий структуру и ключевые характеристики углеродистой стали. Его количество и допустимые отклонения от нормы строго контролируются стандартами для разных классов сталей. При этом прослеживается прямая зависимость между его массовой долей и физико-механическими свойствами сплавов. Чем больше содержание углерода, тем ниже пластичность и хуже свариваемость, однако тем выше параметры прочности и твердости.
кремний	Один из раскислителей. В спокойной стали его содержание составляет 0,15…0,30%, в полуспокойной – 0,05…0,15%, в кипящей – не более 0,05%
марганец	Аустенизатор и раскислитель. Увеличивает прочность металла и предел текучести, но снижает ударную вязкость.
сера	Увеличивает количество неметаллических включений и повышает красноломкость. Ухудшает механические и технологические свойства.
фосфор	Снижает хладостойкость и способствует охрупчиванию. Ухудшает ударную вязкость.
хром	Карбидобразующий элемент. При легировании в больших количествах улучшает параметры твердости и стойкости к атмосферной коррозии, однако в нелегированных сталях его содержание и, соответственно, влияние минимальны.
никель	Повышает вязкость. Положительно влияет на прочность и стойкость к ржавлению при целенаправленном легировании, но в углеродистых сталях это практически незаметно.
медь	Повышает прочность феррита и увеличивает стойкость к коррозии. В тех количествах, в которых медь присутствует в нелегированных сталях, ее вклад в общий комплекс свойств материала несущественный
мишьяк	Технологическая примесь. Минимизирует параметры ударной вязкости, поэтому содержание данного элемента в стали строго ограничено требованиями стандартов.
азот	Вредный газ. Выступает аустенизатором и снижает усталостную прочность. При этом часто используется в качестве рабочей среды при химико-термической обработке углеродистых сталей (азотирование, нитроцементация) – в ходе насыщения поверхности детали азотом и последующей упрочняющей термической обработки в поверхностном слое образуются нитриды, которые резко повышают твердость и абразивную износостойкость изделий.

Учитывая обширный марочный ассортимент, каждая нелегированная сталь химический состав должна иметь в четко оговоренных соотношениях основных элементов, которые необходимы для того или иного применения. Химический состав таких материалов оговаривается во многих нормативно-технических документов, которыми оперируют профильные специалисты. Среди ключевых стандартов на такую продукцию, которые используются в Украине и странах СНГ, стоит упомянуть:

ДСТУ 2651/ГОСТ 380. По ним изготавливаются и поставляются марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества;
ДСТУ 7809 и ГОСТ 1050. Определяют химический состав и характеристики качественных нелегированных конструкционных сталей;
ДСТУ 5952/ГОСТ 1435. Регламентируют технические условия поставок инструментальных углеродистых сталей качественных и высококачественных.
ГОСТ 977. Описывает технические требования производства и поставок литейных сталей.
ДСТУ EN 10025. Гармонизированных европейский стандарт, который оговаривает условия поставки конструкционных сталей, в том числе нелегированных.

Обозначение и маркировка

В мировой практике используется несколько систем маркировки сталей. В Украине и в странах СНГ принята общая буквенно-цифровая система маркировки (это не относится к сталям, которые выпускаются по гармонизированным европейским стандартам).

ДСТУ 2651/ГОСТ 380 оговаривают, что для марок обыкновенного качества в обязательном порядке прописывается сокращение «Ст» и указывается число, отражающее условный номер марки стали с учетом ее химического состава и механических характеристик.

Углеродистые стали обыкновенного качества

Обозначение	Ориентировочная массовая доля C, %	Позначення	Масовая доля C, %
Ст0	не более 0,23	Ст4	0,18…0,27
Ст1	0,06…0,12	Ст5	0,28…0,37
Ст2	0,09…0,15	Ст6	0,38…0,49

Спокойная сталь обозначается сокращением «сп», для кипящих и полуспокойных марок после цифр прописывается аббревиатура «кп» или «пс» соответственно.

Если сталь обыкновенного качества содержит марганец в количестве, превышающем 0,8%, после цифрового обозначения прописывается буква «Г». Пример – Ст4Гпс или Ст6Гсп.

Качественная углеродистая сталь свойства имеет другие, в ее маркировке уже не пишется сокращение «Ст». При этом прописывается двузначная цифра, которая указывает количество углерода, выраженное в сотых долях процента. Пример – 08пс, 20пс, 55.

В маркировке углеродистой инструментальной стали прописывается буквенный символ «У» и число – среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Для высококачественных инструментальных сталей принято после числового обозначения добавлять букву «А», а буква «Г» указывает, что сталь содержит повышенное количество марганца. Пример – У7, У8ГА, У9А.

В обозначении литейных марок стали кроме числового эквивалента содержания углерода прописывается буква «Л», а для котельных – буква «К».

Примеры расшифровки углеродистых сталей

Ст3пс

Ст – конструкционная сталь углеродистая обыкновенного качества;

3 – порядковый номер в группе, массовая доля углерода в пределах 0,14…0,22%;

пс – по степени раскисления полуспокойная

У8А

У – инструментальная углеродистая сталь;

8 – массовая доля углерода в десятых долях процента (C 0,75…0,84%);

А – высококачественная

А20

А – автоматная конструкционная сталь углеродистая;

20 – среднее количество углерода (C 0,17…0,25%).

15Л

конструкционная сталь углеродистая;

15 – среднее количество углерода (C 0,12…0,20%);

Л – литейная

Применение

Углеродистая сталь – конструкционный материал широкой сферы применения. Ее используют в гражданском и промышленном строительстве, тяжелом и легком машиностроении, приборостроении и вагоностроении. Из таких марок изготавливают несущие и второстепенные строительные металлоконструкции, машиностроительные детали и крепеж, сборные узлы, элементы корпусов и обшивки разнообразных производственных и сельскохозяйственных механизмов и агрегатов.

Пример применения конструкционных нелегированных сталей

Марка	Примеры возможного применения
Ст0	Ненагруженные и нерассчитываемые детали металлических конструкций и оборудования, ограждения
Ст1…Ст2	Малонагруженные детали, анкерные болты, жесткие связи, штампованные детали, кожухи
Ст3, S235JR, S275J2, S355JR	Машиностроительные детали, шайбы, болты, стержни, рычаги, работающие при умеренных нагрузках. Строительная арматура, уголки, швеллеры, листовой и трубный прокат, электросварные трубы и профили общего и специализированного назначения
Ст5…Ст6	Болты, клинья, серьги, шпонки, рычаги и другие детали, от которых требуется повышенная прочность, в том числе коленчатые валы, сухари, кулачковые муфты, специальные профили для горнодобывающей, машиностроительной и строительной отраслей
15…20	Детали с повышенной пластичностью, в том числе предназначенные для различных сфер машиностроения
25, 30, 35	Цилиндры, втулки, гайки, маховики, мелкий крепеж, а также оси, диски, соединительные муфты и другие детали, в том числе подвергаемые химико-термической обработке (цементации, нитроцементации, борированию, азотированию)
45	Шестерни, оправки, валы, оси, балки, консоли, плунжеры
60, 65	Шпиндели, эксцентрики, прокатные валки, колесные пары железнодорожного состава

Нелегированные стали массово используются для производства:

фасонного, сортового, плоского и трубного проката;
гнутых и специальных профилей, в том числе сварных;
поковок и отливок.

Производство ответственных металлических конструкций, эксплуатация которых предполагает работу при динамических нагрузках и минусовых температурах, не рекомендуется вести с применением кипящих марок.

Инструментальные углеродистые стали У7 и У8/У8А используются для метчиков, отверток, зубил и прочей инструментальной оснастки, рассчитанной на эксплуатацию с ударными нагрузками. Из марок с более высоким содержанием углерода У10, У11, У12А, 13А производят надфили, плашки, ножовочные полотна, шаберы и так далее.