Что такое низкоуглеродистая сталь. Применение и маркировка

Большая часть производства в той или иной степени применяют низкоуглеродистую сталь. Строительство, машиностроение, станкостроение - вот неполный список отраслей, где она активно применяется.

Состав по ГОСТ

Сталь - это сплав железа с углеродом, процент содержания последнего при этом не должно превышать 2,14%. Все что выше этого значения - уже чугун. Низкоуглеродистая сталь отличается пониженным содержанием углерода, что откладывает свой отпечаток как на механические, так технологические свойства.

Существует несколько стандартов, которые регулируют состав углеродистых сплавов. Среди них наиболее востребованы ГОСТ 380-2005 и ГОСТ 1050-90. Согласно им низкоуглеродистой может называться сталь, которая включает в себя:

  • Углерод (до 0,25%). Он позволяет термически упрочнять сталь, в результате чего твердость и временное сопротивление металла может увеличиться в несколько раз.
  • Кремний (до 0,35%) Он улучшает механические характеристики, особенно, это касается ударной вязкости и прочности. Также увеличение кремния в сплаве положительно сказывается на свариваемости.
  • Марганец (до 0,8%) относится к группе полезных примесей. По своему молекулярному строению схож с кислородом и активно вступает с ним химическую связь, что препятствует образованию оксида железа. Сталь, легированная марганцем, более однородна по составу, лучше справляется с динамическими нагрузками, становиться податливей к термическому упрочнению.
  • Сера (до 0,06%) - вредная примесь. Делает металл красноломким, усложняет обработку давлением: ковкой, прокаткой и т.д. Снижает плотность сварного шва. Повышает отпускную хрупкость.
  • Фосфор (до 0,08%) ответственен за появление хладноломкости. Искажает кристаллическую структуру стали. Снижает ее ударную вязкость. Ухудшает прочность и выносливость металла. Но не всегда фосфор является вредной примесью. В некоторых случаях его добавление оправдано, т.к. он увеличивает податливость металла резанию. Но все равно, общее количество его не должно превышать 0,1%.
  • Кислород - самый нежелательный элемент в составе стали. Введение 0,001% кислорода способно снизить прочность металла на 50%. Препятствует обработки сплава режущим инструментом.
  • Азот. После попадания его в металл, образует нитриды железа - очень хрупкое соединение, которое снижают как прочностные, так и технологические свойства сплава.

Особенности низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистая сталь по сравнению с другими сталями крайне пластична. Их относительно удельное сопротивление на сжатие составляет 23-35% в зависимости от процента содержания углерода в составе. Чем его больше, тем пластичность ниже.

Все марки низкоуглеродистых сталей имеют первую категорию свариваемости.

Процесс сварки не требует сложных подготовительных операций: прогрева поверхности, обезжиривания и т.д. Сварной шов получается плотным, при работе на сжатие по прочности сравним с цельным металлом. Пониженная углеродистая сталь поддается всем видам сварки: от обычной электродуговой до вакуумной в среде инертных газов.

Низкоуглеродистая сталь не обладает повышенными прочностными характеристиками. Временное сопротивление на разрыв для нее колеблется в пределах 320-450 МПа. То же самое можно сказать относительно твердости. Без дополнительного упрочнения твердость стали составляет 22-23 единиц по шкале Роквелла.

Низкоуглеродистые марки не поддаются закалке в силу малого содержания углерода в составе. Среди немногочисленных вариантов улучшения сталям своих механических свойства выделяют цементацию. Это разновидность химико-термического упрочнения, при котором поверхность металла принудительно насыщают углеродом, что делает металл более твердым и износостойким. Помимо этого, в качестве механического упрочнения хорошо зарекомендовали себя разного рода наклепы, обкатка роликами и прочее.

Классификация и марки

Существует несколько основных критериев по которым подразделяются углеродистые марки. Одним из самых важных среди них являются условия проведения раскисления. Выделяют следующие низкоуглеродистые стали:

  • Спокойные. Включает минимальное содержание в составе окиси железа, что делает процесс выплавки «спокойным» - без бурного выделения углекислоты с зеркала металла. Возможным это стало благодаря введению раскислителей: алюминий, марганец и кремний. Все выходящие газы скапливаются в усадочной раковине, которая впоследствии обрубается, что в результате дает плотный и однородный металл.
  • Кипящие. Раскисляются одним марганцем. Имеют увеличенное количество оксида железа в составе. Процесс плавки сопровождается выделением углекислого газа, что создает впечатление будто металл кипит. Эти стали менее прочны и менее однородны по химическому составу, но при этом стоят дешево и имеют низкий процент отходов в производстве.
  • Полуспокойные. Помимо марганца для удаления кислорода дополнительно применяют алюминий. По характеристикам эта углеродистая сталь представляет собой что-то среднее между кипящими и спокойными сплавами.

Помимо степени раскисления низкоуглеродистые марки также классифицируются по наличию неметаллических включений в своем составе. Исходя из этого они различаются на:

  • Обыкновенного качества;
  • Качественные машиностроительные.

Рассмотрим каждый пункт более подробно.

Стали обыкновенного качества . К ним не предъявляются строгие требования как к выбору шихты, так и к плавке и разливке. Фосфора в них допускается не более 0,08%, а серы не более 0,06%. Разливают такой сплав в крупногабаритные слитки, поэтому для них характерно появление зональной ликвации.

Сталь обыкновенного качества идет на производство разного рода горячекатаного металлопроката: прутки ГОСТ 4290-90, швеллеры ГОСТ 8240-97, балки ГОСТ 8239-95, уголки ГОСТ 8509-95 и прочие. Этот прокат служит материалом для производства разного рода болтовых, клепочных и сварных металлоконструкций. В станкостроении из нее производят малоответственные детали не требующие проведения термобработки: оси, вальцы, зажимы и т.д.

Исходя из гарантированности указанных свойств сталь обыкновенного качества бывает:

  • Группы «А». Поставка происходит по механическим характеристикам, химический состав при этом не нормируется. Маркируется «Ст» и цифрой от 0 до 6. (Ст.6, Ст.5 и т.д.). С увеличением цифры возрастает и прочность выбранного сплава.
  • Группы «Б». Такие металлы идут с нормированным химсоставом. В маркировке дополнительно прописывается способ получения сплава.
  • Группы «В». Здесь в сталях регулируются одновременно прочностные характеристики и химсостав. В маркировке дополнительно указывается буква В.

Качественные машиностроительные стали производятся в более строгих условиях выплавки. Обладают меньшим количеством вредных образований в химсоставе: сера до 0,04%, фосфор до 0,04%. Маркируются надписью «сталь» и цифрой, указывающей количество карбидов в сотых долях процента.

Сталь 08 и 10 применяются в ответственных узлах машиностроения. Из них производят втулки, змеевики, прокладки и т.д. Перед использованием все детали обязательно подвергаются цементации или любому другому химико-термическому упрочнению.

Стали 15, 20, 25 используются для узлов, работающих на износ и не испытывающих повышенных механических нагрузок: рычаги, шестерни, толкатели клапанов и т.д.

Способы получения

Выделяют следующие низкоуглеродистые стали в зависимости от способа выплавки:

  • Конверторные печи. Металл плавиться за счет химической теплоты экзотермических реакций. Удаление излишнего углерода происходят при продувке кислорода сквозь зеркало металла. Плюсом такого способа является высокая производительность. Минусом - повышенная концентрация азота на выходе.
  • Мартеновские печи. В рабочей камере сжигается жидкое топливо. Необходимая температура плавки достигается за счет теплоты отходящих газов. При таком способе сплав получается более раскисленным и с меньшим содержанием неметаллических примесей.
    • /5 - 0 голосов

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.

Высокоуглеродистая сталь не имеет в своем составе легирующих элементов, среди которых находятся хром, ванадий и никель. Стоит отметить, что данный вид стали имеет в своем составе углерод свыше 0,6%. Содержание углерода определяет свойства сталей. Таким образом, с увеличением процентного содержания углерода в составе стали, возрастает предел ее прочности и повышается твердость, но, в тот же момент, снижаются ее пластические свойства.

Углеродистая сталь более устойчива к высоким температурам и сохраняет свои свойства при подогреве до 450 градусов по Цельсию. Она прекрасно воспринимает динамические нагрузки разной тяжести и способна не поддеваться коррозии. В этом случае углеродистая сталь очень легкая и устойчива к износу. Например углеродистой сталью является чугун и его изделия.

Разные виды углеродистых сталей применяются для производства инструментов, деталей для котлов, труб, турбин и других изделий, которые применяются для эксплуатации при высоких нагрузках.

Средне- и высокоуглеродистые стали имеют характерную особенность – образовывать закалочные структуры в сварочном шве и зоне термического влияния, которые могут создавать опасность хрупкого разрушения. Для получения надежных сварочных швов подбирается марка стали в соответствии возможности получения требуемых стабильных механических свойств сварочных соединений.

Высокоуглеродистые стали склонны к хрупкости после воздействия термического цикла сваривания и выражается значительно сильнее, в чем в среднеуглеродистых сталях. Стали данного вида чувствительны к горячим и холодным трещинам. Из-за этого следует обязательно подогревать свариваемый металл до температуры 350 – 400 градусов по Цельсию. После подогрева требует производить отжиг и проводить его до тех пор, пока свариваемое изделие не остынет до температуры 20 градусов по Цельсию.

Изготовление надежных сварочных соединений может затрудняться из-за нависшей опасности образования холодных трещин и повышенной чувствительности сталей данного вида к концентраторам напряжения при статических и динамических нагрузках.

Сварные конструкции проектируются с наименьшей концентрацией напряжений. Радиусы перехода от одного сечения в свариваемой детали к другой должны быть максимальными исходя из допустимых конструктивны соображений.

Для того чтобы повысить прочность сварочных швов высокоуглеродистой стали, следует создавать плавные переходы от одного до другого свариваемого металла. Для стыкового сварочного соединения стоит удалять усиление сварочного шва.

Особое внимание в этом случае нужно уделять проплаву сварочного шва, который имеет более крутой переход от шва к металлу изделия. В случае, когда механическая обработка внутренней поверхности детали для зачистки и проплавления невозможна, то следует проводить комбинированное сваривание без остающейся подкладки.

По условиям выплавки в углеродистых сталях содержатся следующие примеси: углерод, кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, водород и азот. Эти примеси называются постоянными (или неизбежными). На свойства углеродистых сталей решающее влияние оказывает углерод. Например, с повышением содержания углерода твердость и прочность стали повышаются, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Некоторые марки полуспокойных ста­лей выплавляются с повышенным содержанием марганца.

В соответствии с ГОСТами выплавляются следующие основные виды углеродистых сталей: низкоуглеродистые (менее 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С); по назначению: на конструкционные обыкновенного качества и качественные (в том числе – цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные), инструментальные для режущего и измерительного инструмента, а также штампов холодного (менее 200 °С) и горячего прессования.

Сталь углеродистая обыкновенного качества конструкционная выплавляется по ГОСТ 380–85 и поставляется потребителю в виде прутков, листов и других профилей проката. В зависимости от назначения и гарантируемых металлургическим заводом характеристик сталь подразделяется на три группы: А, Б, В, которые, в свою очередь, делятся на категории.

Сталь группы А поставляется по механичес­ким свойствам и изготовляется следующих марок: Ст0, Ст1 кп (сп), Ст2 кп (пс и сп), Ст3 кп (пс, гпс, гсп), Ст4 кп (пс), Ст5 пс, Ст6сп (пс).

Сталь группы Б поставляется по гарантированному химическому составу и изготовляется следующих марок: БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6.

Сталь группы В поставляется по гарантированным механическим свойствам и химическому составу и изготовляется следующих марок: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Знание химического состава необходимо в том случае, когда сталь у потребителя подвергается горячей штамповке, а изготовленные из неё детали – термической обработке, поскольку температура нагрева выбирается в зависимости от содержания углерода в стали.

По степени раскисления сталь всех групп с номерами 1, 2, 3, 4 изготовляется кипящей, спокойной и полуспокойной, а с номерами 5 и 6 - только спокойной и полуспокойной. Стали Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяются. Сталь марок ВСт1, ВСт2, ВСт3 всех степеней раскисления поставляется с гарантией свариваемости.

Расшифровка марок:

а) буквы Б и В перед буквами Ст – группа стали; группа А не указывается, например Ст3, БСт3, ВСт3;

б) буквы Ст – сталь, цифры, от 0 до 6 – условный номер марки; с повышением номера растет содержание углерода в стали и ее прочность. Например, в сталях Ст3 и Ст5 содержание углерода соответственно: 0,14–0,22 и 0,23–0,37 %; временное сопротивление σ В: 380–490 (38–49) и 560–640 (56–64) МПа (кгс/мм 2);

в) буквы, добавляемые после номера марки, – степень раскисления: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная, например Ст3кп;

г) буква Г – повышенное содержание марганца (Ст3Гпс, ВСт3Гсп);

Область применения:

– ж.–д. колеса, валы, шкивы, шестерни;

– детали грузоподъемных машин;

– слабонагруженные детали машин и приборов;

– сварные фермы, различные рамы; железобетонные конструкции.

Сталь качественная конструкционная выплавляется по ГОСТ 1050–88, поставляется по химическому составу и механическим свойствам следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Марка означает среднее содержание (массовую долю) углерода в сотых долях процента. Помимо указанных, поставляются стали марок 05 и 58 (55 пп – сталь пониженной прокаливаемости).

По раскисленности выплавляются стали: кипящие (кп) – 05 кп, 08 кп, 10 кп, 15 кп, 20 кп; полуспокойные (пс) – 08 пс, 10 пс, 15 пс, 20 пс (листовая сталь для холодной штамповки); спокойные (сп) – 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 (индекс сп в марке не ставится).

По состоянию сталь изготовляется без термической обработки, термически обработанная Т (отожженная, высокоотпущенная или нормализованная) и нагартованная Н (калиброванная, серебрянка).

По назначению различают подгруппы стали: а – для горячей обработки давлением; б – для холодной механической обработки (обточки, фрезерования, строжки и т.д.); в - для холодного волочения.

Область применения:

– для холодной штамповки и глубокой вытяжки (0,5–20);

– вагоно- и автомобилестроение;

– слабонагруженные зубчатые колеса и кулачки;

– емкости, трубы, консервные банки.

Рессоры и пружины изготовляются из сталей, выплавляемых по ГОСТ 14959–79 (сталь рессорно-пружинная углеродистая и легированная). Углеродистая рессорно-пружинная сталь поставляется в виде прутков круглого, квадратного и профильного сечения, полос и мотков следующих марок: 65, 70, 75, 80 и 85.

Сталь инструментальная углеродистая выплавляется по ГОСТ 1435–90, поставляется по химическому составу и механическим свойствам (твердости). По химическому составу сталь делится на качественную и высококачественную. Качественные стали содержат вредные примеси серы не более 0,03 и фосфора 0,035 %. В высококачественных сталях – серы не более 0,02 % и фосфора 0,03 %, меньше чем в качественных сталях неметаллических включений, а также более сужены пределы содержания, кремния и марганца. Сталь поставляется в отожженном состоянии твердостью НВ 187–217. Твердость после закалки HRC 62.

Марки сталей: качественных – У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественных – У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Выпускаются также стали с повышенным содержанием марганца марок У8Г и У8ГА, в которых содержание марганца находится в пределах 0,35–0,60 %.

В обозначении марки буква У означает углеродистую инструментальную сталь, цифры - среднее массовое содержание углерода в десятых долях процента, буква А – сталь высококачественную, буква Г – повышенное содержание марганца.

Область применения:

– зубила, молотки, отвертки, центры токарных станков (У7, У7А);

– пуансоны, матрицы, ножницы, пилы (У8, У8А);

– керны, деревообрабатывающий инструмент (У9, У9А);

– резцы, метчики, развертки, фрезы (У10, У10А);

– штампы вырубные, пилы, пресс-формы (У11, У11А);

– резцы, сверла, фрезы, метчики (У12, У13,У13А).

Сталь автоматная выплавляется по ГОСТ 1414–75 следующих марок: А11, А12, А20, А30, А35Е, А40Г. Стали содержат вредные добавки серы 0,08–0,25 и фосфора 0,06–0,15 %. Для улучшения обрабатываемости резанием в стали вводят свинец (до 0,3 %), марганец (до 1,5 %) и селен (до 0,1 %) (АС14, АС35Г и А35Е).

Область применения:

– детали крепежа (болты, гайки);

– втулки, валики, детали двигателя.

Сталь литейная выплавляется по ГОСТ 977–79 следующих марок: 15Л, 20Л, …, 55Л.

Область применения:

– отливки мелких и крупных машиностроительных деталей;

– литые коленчатые валы;

– детали подвижного состава.

2.1.2 Легированные стали, их виды и марки

Легированные стали отличаются от углеродистых сталей:

– повышенной жаростойкостью, сопротивлением коррозии;

– значительной ударной вязкостью;

– высокими значениями σ т и γ;

– большим электросопротивлением;

– обладают лучшей прокаливаемостью;

– увеличивают количество остаточного аустенита.

В диаграмме состояния Fe –легирующий элемент Ni и Mn – расширяют область существования γ-фазы; Мо, Тi – сужают область существования γ-фазы; Si, Al, W, Sn, Mo и Ti – расширяют область α-фазы. Основными легирующими элементами в стали являются Cr, Ni, Si, Mn. Никель – увеличивает пластичность и вязкость стали; уменьшает температуру порога хладноломкости ; уменьшает чувствительность стали к концентрации напряжения. Хром увеличивает жаростойкость и коррозионную стойкость стали; увеличивает электрическое сопротивление; уменьшает коэффициент линейного расширения; увеличивает прокаливаемость стали; замедляет распад мартенсита. Кремний увеличивает жаростойкость стали ; затрудняет формирование и рост цементитных частиц; используется как раскислитель при плавке стали.

W, Mo, V, Ti, B – дополнительно улучшают свойства стали. Mo и W – увеличивают прокаливаемость стали (+ Ni); способствуют измельчению зерна; подавляют отпускную хрупкость стали.

V, Ti, Ni, Zr – образуют труднорастворимые в аустените карбиды; (до 0,15 %) измельчают зерна; снижают порог хладноломкости.

В – повышает прочность и прокаливаемость стали (0,001–0,005 %).

Эффективность легированных элементов достигается при их оптимальном содержании в стали.

легированные стали классифицируют:

По типу равновесной структуры;

Структуре после нормализации;

Химическому составу;

Назначению.

Легированные стали относят: к доэвтектоидным (феррит + легированный перлит); заэвтектоидным (легированный перлит + карбиды); эвтектоидным.

Разделяют стали на 3 основных класса:

– перлитный (сорбит, тростит и бейнит);

– мартенситный (в легированных);

– аустенитный (в высоколегированных).

Легированные стали делятся:

– по химическому составу : на хромистые; марганцовистые; хромоникелевые; хромоникельмолибденовые и т.д.;

– по общему количеству легирующих элементов в них : на низколегированные (до 2,5 %); легированные (2,5–10 %); высоколегированные (свыше 10 %);

– по назначению : на конструкционные (цементуемые, улучшаемые); инструментальные; с особыми свойствами («автоматные» пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и др. стали).

Маркировка легированных сталей: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, Т – титан, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные, Ю – алюминий.

Машиностроительные цементируемые улучшаемые стали содержат 0,1–0,3 % углерода и 0,2– 4,4 % легирующих элементов. После насыщения углеродом, закалки и низкого отпуска детали из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (до 58–63 HRC ) при вязкой центральной части. Стали 15ХФ, 15Х, 20Х (с пределом текучести до 700 МПа) используют для изготовления небольших нагруженных деталей, испытывающих средние по величине знакопеременные и ударные нагрузки. Стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А (с пределом текучести более 700 МПа) используют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания, при повышенных нагрузках. Особо ответственные детали, например зубчатые колеса авиационных и судовых двигателей, изготавливают из сталей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА. Экономно легированные стали 18ХГТ, ЗОХГ, 25ХГТ имеют наследственную мелкозернистую структуру, что позволяет сократить технологический цикл обработки детали. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей крупносерийного и массового производства.

Машиностроительные улучшаемые легированные стали содержат 0,3–0,5 % углерода и до 5 % легирующих элементов. Используются преимущественно после улучшения (закалки и высокого отпуска при температуре 500– 600 °С на сорбит). Основное применение – ответственные детали машин, эксплуатируемые при воздействии циклических или ударных нагрузок. Для изготовления средненагруженных небольших деталей машин и механизмов без значительных динамических нагрузок применяют хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х, 50Х. С увеличением содержа­ния углерода возрастает прочность этих сталей, но несколько снижается их вязкость и пластичность. Из хромоникелевых сталей 40ХН, 50ХН, а также из хромокремнемарганцевых сталей 30ХГСА, 35ХГСА, которые обладают высокими прочностными и вязкостными свойствами, изготавливают ответственные детали, работающие при воздействии динамических нагрузок.

Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 38ХМЗМА обладают повышенными механическими свойствами при температуре до 450 °С.

Мартенситостареющие высокопрочные стали (с пределом прочности 1800–2000 МПа) – безуглеродные (не более 0,03 % С) сплавы железа с никелем, легированные кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Высокие механические свойства сталей HI8K9M5T, H12KI5M10 достигаются за счет совмещения мартенситного g ® a-превращения, старения мартенсита и легирования твердого раствора. Эти стали сохраняют высокие механические характеристики при низких температурах вплоть до температур сжиженных газов. Такие стали теплоустойчивы до температур 500– 700 °С. Находят применение для ответственных деталей в авиации, судостроении.

Износостойкие конструкционные стали обладают высоким сопротивлением контактной усталости и истиранию за счет высокой твердости, однородности структуры, минимального содержания неметаллических включений и металлургических дефектов. Термическая обработка (закалка и низкий отпуск) стали ШХ15ГС обеспечивает их твердость HRC 60–66. Для деталей, работающих в агрессивных средах (морской воде, слабых растворах кислот, щелочах), применяют коррозионностойкую высокоуглеродную сталь 95X18. Детали, эксплуатируемые при воздействии ударных нагрузок, вызывающих их поверхностный наклеп, а следовательно, снижение износостойкости обычных сталей, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали Г13Л. Для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения скольжения, применяют графитизированную сталь, имеющую структуру ферритно-цементитной смеси и графита. Последний играет роль смазочного материала, предотвращающего схватывание контактирующих деталей.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы устойчивы к коррозии на воздухе, в воде (в т.ч. морской), в ряде кислот, солей и щелочей. Из хромистых сталей Х25Т, Х28, имеющих ферритную структуру, изготавливают детали, эксплуатируемые в высокоагрессивных средах, например в кипящей азотной кислоте. Хромоникелевые стали 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х12Н10Т, имеющие аустенитную структуру, используют в авиа- и судостроении.

Жаропрочные стали и сплавы обеспечивают эксплуатацию деталей при температуре свыше 500 °С. Для деталей, эксплуатируемых в среде с температурой 500– 580 °С, используют низкоуглеродистые стали, имеющие структуру пластинчатого перлита, легированные кобальтом, молибденом, ванадием, в частности 16М, 25ХМ, 12Х1МФ. Нагруженные детали, эксплуатируемые в среде с температурой до 450-470 °С, изготавливают из высокохромистых сталей 15X11НМФ, 1ХКВНМФ, имеющих в зависимости от температуры отпуска структуру сорбита или троостита.

Кроме углерода обычные углеродистые стали содержат и другие элементы: до 1,65 % марганца; до 005 % серы; до 0,04 % фосфора; до 0,60 % кремния и до 0,60 % меди.
См. и
.

Углеродистые стали можно классифицировать с различных точек зрения, например, по способу раскисления. Конечно, способ раскисления оказывает влияние на характеристики и свойства стали. Однако изменение содержания углерода оказывает самое большое вляиние на механические свойства стали – с увеличением содержания углерода возрастает ее твердость и прочность. Поэтому обычно стали группируют по содержанию в них углерода. Обычно углеродистые стали содержат в сумме до 2 % всех легирующих элементов и в свою очередь подразделяются на:

  • низкоуглеродистые стали;
  • среднеуглеродистые стали и
  • высокоуглеродистые стали.

Углеродистые стали являются основной продукцией черной металлургии – они составляют более 80 % ее продукции. Основным металлическим материалом промышленности является именно углеродистая сталь.

Для углеродистых сталей наиболее чаще других применяют следующие стандарты:

  • . Сталь углеродистая обыкновенного качества
  • ГОСТ 1050-88 . Сталь углеродистая качественная конструкционная

Низкоуглеродистые стали

Низкоуглеродистые стали содержат углерода до 0,25 %. Самой большой категорией этого класса сталей является плоский прокат – листы и полосы, обычно в холоднокатаном или отожженном состоянии. Содержание углерода для повышения способности к горячему деформированию и холодному волочению этих сталей обычно очень низкое (менее 0,10 %) с содержанием марганца до 0,40 %. Эти низкоуглеродистые стали применяют для изготовления корпусов автомобилей, жести и проволочной продукции.

Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,10 до 0,25 % имеют повышенную прочность и твердость, но более низкую способность к пластическому деформированию по сравнению с низкоуглеродистыми сталями с самым низким содержанием углерода.

Эти стали часто применяют в сочетании с процессом их цементации. Типичное применение цементованных сталей – детали с высокими требованиями по износостойкости, но без необходимости увеличивать прочность сердцевины детали, например, небольших валов или шестерен.

Катаные профили из конструкционной стали с содержанием углерода около 0,25 % и до 1,5 % марганца и алюминия применяют в условиях, когда требуется повышенная вязкость материала. Когда сталь применяют для штамповки, ковки, бесшовных труб или листа для изготовления котлов добавки алюминия не производят.

Важной категорией этих сталей являются низколегированные автоматные стали с содержанием углерода до 0,15 % и марганца – до 1,2 % с минимумом кремния и с содержанием серы до 0,35 %, а также со свинцом до 0,30 % или без него. Эти стали предназначены для автоматического массового производства из них деталей, которые не подвергаются тяжелым механическим и климатическим воздействиям. Если же изделию нужны высокая пластичность и вязкость, а также коррозионная стойкость, то эти стали для него не подходят.

Среднеуглеродистые стали

Среднеуглеродистые стали содержат 0,30-0,55 % углерода и 0,60-1,65 % марганца. Они применяются там, где требуются высокие механические свойства. Эти стали обычно упрочняются путем термической обработки или нагартовкой. Стали из этой группы с пониженным содержанием углерода и марганца находят широкое применение для некоторых типов деталей, получаемых путем холодной пластической деформации. Это требует предварительного применения отжига, нормализации или закалки с отпуском. Стали с более высоким содержанием углерода часто подвергаются волочению до заданных механических свойств для применения без термической обработки.

Все эти стали могут подвергаться ковке. Выбор стали зависит от размеров изделия и механических свойств, которые она должна обеспечивать после термической обработки. Эти стали обычно производят как спокойные и они очень широко применяются в машиностроении. К этим сталям также добавляют при необходимости их массовой механической обработки свинец и серу, а также алюминий для измельчения зерна и повышения вязкости. Стали с содержанием углерода 0,40-0,60 % применяют для изготовления железнодорожных рельсов, вагонных колес и осей, бандажей для локомотивов.

Высокоуглеродистые стали

Высокоуглеродистые стали, содержащие 0,55 -1,00 % углерода и 0,30-0,90 % марганца имеют более ограниченное применение, чем среднеуглеродистые стали. Дело в том, что эти стали более дорогие в производстве, имеют низкую пластичность и, следовательно, с большим трудом подвергаются горячей обработке, а также плохо свариваются. Высокоуглеродистые стали находят применение в производстве пружин, при изготовлении различных режущих инструментов, включая элементы землеройных машин и машин для обработки сельскохозяйственных земель, а также высокопрочной проволоки – везде, где требуется более высокая износостойкость и более высокая прочность, чем могут обеспечить стали с более низким содержанием углерода.