Какое влияние оказывает углерод на свойства стали

Содержание углерода и легирующих элементов определяет свойства углеродистых сталей. Состав сплава содержит железо, углерод, магний, кремний, марганец, серу и фосфор. Количество одного компонента по отношению к общей массе определяет вязкость, пластичность, прочность и твердость металла. Углеродистые стали классифицируют по химическому составу, способу изготовления, назначению и степени раскисления. Металлопрокат производят из разных марок стали. Компания «Стальмет» продает металлопродукцию из углеродистых сталей, соответствующих ГОСТу 380-2005 и 1050-2005.

Состав стали с углеродом

Технология производства не полностью удаляет примеси из стали. Они занимают малую процентную долю, но присутствуют во всех углеродистых сталях. Содержание углерода разделяет сталь на углеродистую и легированную. Углерод добавляют намеренно, чтобы изменить технические характеристики и механические свойства сталей. Наличие примесей зависит от выбранной плавки сталей. Процентное содержание разных элементов в составе стали:

• железо — до 99 %;
• углерод — до 2,14 %;
• кремний — до 1 %;
• марганец — до 1 %;
• фосфор — до 0,6 %;
• сера — до 0,5 %.

Сталь содержит незначительное количество водорода, кислорода и азота.

Какие свойства у стали с разным содержанием углерода?

Механические свойства стали зависят от количества углерода. Увеличение или снижение содержания углерода, даже в сотых долях процента, предопределяет сферу применения металла. Структура углеродистой стали меняется от содержания цементита и феррита. Когда в сталь добавляют больше углерода, сплав становится твердым, прочным и упругим. Когда уменьшают, улучшают ее пластичность и сопротивление удару.

В зависимости от того, сколько углерода в составе сплава, различают несколько видов стали:

• Низкоуглеродистые содержат меньше 0,25 % углерода. Пластичные, но легко деформируемые. Обрабатываются в холодном состоянии и под действием высокой температуры.
• Среднеуглеродистые — 0,3-0,6 %. Пластичные, текучие и среднепрочные. Из них изготавливают детали и конструкции, которые будут использовать в нормальных условиях.
• Высокоуглеродистые — 0,6-2 %. Износостойкие, прочные и дорогие углеродистые стали с низкой вязкостью. Плохо поддаются сварке без предварительного разогрева обрабатываемой зоны до +225оС.

Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали обрабатывать и варить проще, чем высокоуглеродистые.

Виды углеродистой стали по степени раскисления

У углеродистой стали разная степень раскисления. Бывают спокойные, кипящие и полуспокойные сплавы. Названия связаны с содержанием вредных примесей — оксидом железа. Чем меньше кислорода в сплаве, тем стабильнее и долговечнее стали. После разливки сталь выделяет газы и затвердевает.

В спокойных сталях кислород удален почти полностью, поэтому у них однородная структура и равномерное распределение состава. Полуспокойные чаще содержат 0,15-0,3 % углерода. Таким сталям свойственна неравномерная структура из-за частичного раскисления сплава. Больше всего кислорода у кипящих сталей. Такое раскисление приводит к разному химическому составу. В кипящих сталях много примесей: углерода, азота, серы и фосфора.

Чем отличаются инструментальные и конструкционные стали?

Сфера применения и способ изготовления — главные отличия сталей. Конструкционные углеродистые стали выплавляют в конвертерах и мартеновских печах. Они бывают высокого и обыкновенного качества. Их разделяют на группы А, Б и В. Маркируют соответственно буквами и цифрами. В обозначении буква говорит о группе стали, а цифры указывают на содержание углерода, увеличенное в 100 раз. Чем больше значение, тем прочнее сталь. Стали обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца маркируются буквой «Г».

Сталь группы А поставляют по механическим свойствам, группы Б — по химическому составу, группы В — по механическим свойствам и химическому составу. Это означает, что сталь группы А обладает заявленными свойствами, а сталь группы Б отвечает нормативной документации.

Углеродистую инструментальную сталь выплавляют в мартеновской или электрической печи. Она бывает спокойной, полуспокойной и кипящей. Ее разделяют на качественную и высококачественную сталь. Доля примесей в качественной инструментальной стали регламентирована: серы должно быть не более 0,4 %, фосфора — не больше 0,6 %. Цифра в маркировке говорит о содержании углерода в сотых долях. Также она обозначает условный номер марки материала.

Сферы применения углеродистых сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества используют для изготовления двутавра, уголка, швеллера, прута, листа и другого проката. В производстве инструментов и деталей для разных областей машиностроения применяют углеродистую сталь высокого качества.

Углерод – не случайная примесь, а важнейший компонент углеродистой стали, от количества которого завичсят ее свойства.

Машиностроительные заводы получают сталь с металлургических предприятий в отожженном или горячекатаном состоянии. Структура конструкционных сталей (доэвтектоидных) состоит из феррита и перлита, инструментальных – из перлита и цементита.

С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются (рис. 10).

При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20º. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.

Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.

Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность хим.состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.

Обозначение марок – буквенно-цифровое.

Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств, при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.

Группа – А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.

Стали группы Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.

Сплавы группы – В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам – по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.

Степень раскисленности, обозначают буквами кп – кипящие, пс – полуспокойные и сп – спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 – Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.

При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.

В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.

Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности – буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.

Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой – У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента – 0,7 – 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву – А. например У7А, У13А, У10А.

По структуре в отожженном (равновесном) состоянии различают следующие группы сталей:

1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная – феррит ;

2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис11.а);

3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис.11, б, в);

4) заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис.11, г).

Рис. .11 Микроструктуры сталей:

а – доэвтектоидная сталь (феррит+перлит); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (перлит + вторичный цементит).

Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например, стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.

Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е. по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов, в общем, составляет 2,5 – 5,0%; до 10 % и более 10 % соответственно.

Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки

В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром – X, никель – Н, молибден – М, вольфрам – В, кобальт – К, титан – Т, марганец – Г, медь – Д, ванадий – Ф, кремний – С, фосфор – П, алюминий –Ю, кобальт-К, бор – Р, ниобий – Б, цирконий – Ц, азот – А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах округленое до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0%.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.

У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17AГI4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква – А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.

Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.

Применение сталей

Конструкционные углеродистые стали. На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема производства стали. Эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Недостатки: – они менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает деформацию и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями, их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность. Главный их недостаток: небольшая прокаливаемость (т.е. способность закаливаться на определенную глубину). Поэтому крупные детали изготавливают без термического упрочнения – в горячекатаном или нормализованном состоянии. По статической прочности они относятся к сталям нормальной прочности.

Углеродистые стали обыкновенного качества (общего назначения) всех трех групп (А, Б, В) предназначены для изготовления различных строительных металлоконструкций (сварные фермы, рамы), а так же слабонагруженных деталей машин и приборов (валы, оси, зубчатые колеса). Это горячекатаная сталь, поступающая с металлургических заводов в виде проката (прутки, балки, листы, трубы, ленты и т.д.). Наиболее распространенная сталь Ст3сп имеет следующие характеристики: σв = 380-490 МПа σ0,2= 210-250 МПа, δ = 25-22%.

Кипящие стали Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30-40оС выше, чем стали спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп и др.):

Ст3кп – порог хладноломкости t50= -10оС

Ст3сп – ——- -50оС

Поэтому для ответственных сварных конструкций, а так же для суровых климатических условий применяются спокойные стали.

Углеродистые качественные стали. Эти стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным хим. составом и механическими свойствами.

Низкоуглеродистые стали подразделяют на 2 группы:

1) 05, 08, 10 – мало прочные, высокопластичные σв = 280-330 МПа δ = 33-45%

Они способны к глубокой вытяжке, поэтому их применяют для холодной штамповки различных изделий. Если углерода более 0,1% то возможны только незначительная вытяжка или гибка. Чаще всего для глубокой вытяжки используют сталь 08кп (детали кузова автомобилей, корпуса приборов и др.). Кипящие стали легче штампуются, т.к. в них почти нет кремния, который сильно упрочняет феррит и затрудняет его деформируемость.

2)Цементуемые стали 15, 20, 25 – предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и др.), от которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхность после цементации (насыщения поверхности углеродом) упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Эти стали применяют так же горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются. Характеристики: σв = 380-460 МПа δ = 27-23%.

Среднеуглеродистые стали (улучшаемые) – 30, 35, 40, 45, 50, 55. Они более прочные, но менее пластичны. После улучшения (т.е. закалка + высокий отпуск на сорбит) достигается высокая прочность, вязкость и пластичность:

σв = 500-600 МПа σ0,2 =300-360 МПа δ = 21-16% (в нормализованном состоянии)

σв = 600-700 МПа σ0,2 =400-600 МПа δ = 19-20% (после улучшения).

Стали этой группы применяют для изготовления деталейнебольшого размера (зубчатые колеса, маховики, оси)

Высокоуглеродистые – стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 применяют в качестве рессорно пружинных. Термообработка: закалка + средний отпуск на троостит для получения высокой прочности и упругости σв>800 МПа.

Автоматные стали – с улучшенной обрабатываемостью резанием с повышенным содержанием серы (0,08 – 0,3%) и фосфора (0,06%). Марки: А12, А20, А30 и др. Цифра указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Изготавливают винты, болты, гайки и др.

Инструментальные стали.

Инструментальные стали предназначены для изготовления инструментов 4-х типов: режущих, измерительных, штампов холодного деформирования и штампов горячего деформирования.

Важнейшее условие работоспособности инструментов – высокая износостойкость, а так же высокая твердость (в 2-3 раза большей, чем у обрабатываемого материала), прочностью и теплостойкостью (т.е. способностью сохранять высокую твердость при повышенных температурах, т.к. происходит нагрев режущей кромки). Для сталей теплостойкость определяется сопротивлением разупрочнению при отпуске (т.е. максимальная температура, до которой сохраняется мартенситная структура). Для штампов важна ударная вязкость.

Углеродистые стали – стали У7, У8, У9. Теплостойкость до 200оС. Твердость после закалки в воде HRC= 60-62. Обладают достаточной вязкостью, поэтому их применяют для инструментов, подвергающихся ударам: зубила, ножницы и ножи по металлу, столярные инструменты и др.

Из сталей У10, У11, У12, У13 изготавливают сверла, напильники, пилы, метчики, фрезы и др.

У12, У13 – для инструментов с максимальной износостойкостью – зубила для насечки напильников, граверный инструмент (HRC= 62-64).