Углеродистые качества стали: состав, маркировка, свойства

О чем речь? Углеродистые качества стали влияют на вид выпускаемой продукции: от рядовой арматуры до нержавеющих изделий, используемых в космосе. Наличие углерода в составе обеспечивает высокую прочность и относительно низкую стоимость изделия.

Какие бывают? Различают три основных вида углеродистой стали: обыкновенного качества, качественная и высококачественная. По одним показателям виды практически идентичны, а по другим имеют существенные различия.

Типы углеродистой стали по качеству

У углеродистой стали (УС) отличные эксплуатационные свойства. Производство этого материала обходится дешевле, чем изготовление легированной. Существует три основных типа УС:

Обычного качества

Углеродистая сталь обыкновенного качества на данный момент является наиболее распространенной. Она производится путем раскисления и отличается хорошей свариваемостью. Этот тип выпускается в виде проката (горячекатаного, сортового и фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного, холоднокатаного тонколистового).

Углеродистая сталь обыкновенного качества применяется для разных целей в зависимости от марки:

• Ст0 применяют для обшивки и арматуры.
• Ст1 идет на изготовление швеллеров и балок (она мягкая, но имеет высокую вязкость).
• Ст2 используют для деталей, где не требуется высокой прочности. Этот материал очень пластичный.
• Ст5 используется для изготовления болтов, гаек, рычагов и осей.
• Ст6 подходит для деталей с высокой прочностью и износостойкостью, например, в станках для обработки дерева и металла.

Конструкционные углеродистые типы стали обыкновенного качества находят широкое применение в строительстве и машиностроении благодаря своей низкой стоимости, высокой технологичности и соответствию всем требованиям для создания массовых конструкций.

Качественная

Качественная углеродистая сталь – это материал, который должен соответствовать строгим требованиям по химсоставу и механическим характеристикам. В ней должно быть не больше 0,04 % серы и 0,035 % фосфора.

Из марок качественной стали делают трубы и детали для котлов, проволоку, листы, уголки, а также болты и гайки, которые требуют высокой пластичности. Этот материал используется для деталей в свариваемых конструкциях, создания патрубков, осей, шестерен, муфт сцепления в грузовиках и автобусах, а также для пружинных шайб и колец.

Инструментальная (высококачественная)

Высококачественные инструментальные типы стали, такие как У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У12А и У13А, содержат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора, а при электрошлаковом переплаве содержание серы снижается до 0,015 %.

В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные УС делятся на несколько типов:

• качественная сталь всех марок;
• сплавы высокого качества всех типов;
• сталь марок У10А и У12А;
• сплавы всех марок;
• сталь марок У7 и У13.

Инструментальные УС различных марок обладают высокой прочностью и значительной ударной вязкостью. Эти металлы применяются для изготовления инструментов и сменных деталей.

Свойства углеродистой стали

Для инженера химический состав марки стали важен не сам по себе, а как показатель возможных физико-механических свойств, которые определяют функциональные возможности материала.

Учитывая эту взаимосвязь, можно утверждать, что каждая марка углеродистой стали уникальна благодаря своему специфическому набору характеристик:

Прочностные

При проектировании конструкции основное внимание уделяется способности материала выдерживать нагрузки. Этот показатель включает несколько ключевых параметров:

• предел прочности, который определяет максимальную нагрузку, когда материал начинает разрушаться;
• ударная вязкость, отражающая устойчивость к внезапным ударам;
• предел текучести, при котором начинается деформация;
• относительное удлинение при разрыве, показывающее, насколько металл может удлиниться перед разрывом под экстремальной нагрузкой;
• твердость, которая характеризует сопротивляемость металла к проникновению других твердых тел.

Все эти показатели взаимосвязаны. На основе их оценки можно с уверенностью прогнозировать, как материал будет вести себя в процессе эксплуатации.

Механические

Взаимосвязь между различными механическими параметрами сплава не всегда бывает прямой. К примеру, предел прочности обычно в 1,7–2,2 раза превышает степень текучести. Однако более высокий уровень прочности часто сопряжен с меньшим относительным удлинением при разрыве.

Механические свойства УС улучшаются по мере увеличения содержания углерода.

В таблице представлены примерные значения для разных категорий стали в их исходном состоянии:

Термическая обработка изменяет свойства стали. К примеру, закалка делает инструментальные сплавы значительно прочнее (свыше 1570 МПа). Твердость поверхности достигает около 59–64 HRC (600–668 HB). Однако относительное удлинение при разрыве уменьшается до 7 %.

Ударную вязкость не всегда считают основным показателем, но она помогает лучше понять, как сталь будет вести себя под ударами. Данный параметр измеряется в количестве энергии, необходимом для откалывания части материала определенной площади. В отличие от предела прочности, по этому показателю оценивают, как металл поведет себя не при постоянной нагрузке, а при резком и внезапном ударе.

Состав углеродистых качественных типов стали

Химический состав углеродистой стали может быть разным в зависимости от марки. Все сплавы из этой категории содержат следующие элементы в стандартных количествах:

• углерод – до 2,14 %;
• кремний – до 1 %;

• марганец – до 1 %;
• сера – до 0,05 %;
• фосфор – до 0,06 %.

Содержание серы и фосфора в углеродистых типах стали выше, чем в легированных, что снижает прочность таких материалов.

Маркировка углеродистой стали обыкновенного качества

Все марки углеродистой стали обыкновенного качества делятся на следующие группы:

• А – сплавы, которые соответствуют строго определенным механическим свойствам.
• Б – сталь с четко заданным химическим составом.
• В – сплавы, которые одновременно соответствуют механическим, физическим и химическим характеристикам.

Если речь идет об углеродистой стали обычного качества, то обозначение начинается с букв «Ст», что указывает на принадлежность к углеродистым сплавам. За этими буквенными символами следует цифра, обозначающая конкретную марку. Далее в маркировке указывается тип соединения, который характеризует способ раскисления.

Есть три основных типа:

• КП – кипящий;
• ПС – полуспокойный;
• СП – спокойный.

Для раскисления стали, как правило, применяют алюминий. Этот материал в жидком металле образует прочный окисел Al₂O₃, выделяющийся в виде твердой фазы. Кроме того, для этой цели используются углерод, ферросилиций, ферромарганец, силикокальций и силикомарганец. В процессе разливки кипящей стали в формы после раскисления она начинает «кипеть» и насыщаться газами.

В результате этого процесса структура и химический состав материала становятся неоднородными. Из-за этого кипящий металл имеет недостаточную прочность, так как при прокатке в нем могут завариваться воздушные пузырьки. В дальнейшем последние приведут к расслоению металла при его вальцовке или штамповке, что существенно снизит надежность изделий.

Спокойная сталь обладает лучшими механическими свойствами по сравнению с другими разновидностями материала. Полуспокойная занимает второе место по этим характеристикам, но она дешевле первой. Самой недорогой является кипящая, так как ее производство наиболее простое и экономичное.

В маркировке стали перед основным буквенным обозначением сплава может стоять буква, указывающая на группу стали. Если ее нет, значит, сплав относится к группе А.

Инструментальную можно узнать по символу «У» в начале клейма. Цифра, стоящая после нее, показывает содержание углерода. Если в обозначении инструментальной стали присутствует буква «А», это значит, что данное соединение имеет более высокие качественные характеристики.

В конструкционных углеродистых типах стали обыкновенного качества есть примеси, такие как сера (до 0,05 %) и фосфор (до 0,04 %), в соответствии с ГОСТ 380-2005. Эти сплавы маркируются как Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т. д.

Преимущества и недостатки углеродистой стали

УС обладают рядом достоинств и недостатков. Среди преимуществ можно выделить следующие:

• высокая ударная вязкость;
• длительное сохранение остроты заточки;
• отличные прочностные свойства;
• отсутствие легирующих добавок.

Углеродистые сплавы имеют несколько недостатков. Во-первых, они подвержены коррозии. Во-вторых, содержат больше вредных примесей, чем легированные.

Металлические конструкции из этих сплавов часто окрашивают, чтобы защитить их от ржавчины и других видов окисления, вызванных воздействием окружающей среды.

Области применения углеродистых типов качественной стали

Рассмотрим сферу применения углеродистых видов стали:

Изготовление деталей машин

В этом случае сначала определяют, в каких условиях будет функционировать это изделие.

Низкоуглеродистые марки стали предназначены для изготовления деталей, которые не подвергаются значительным нагрузкам и не испытывают вибрации или удары. К таким элементам относятся:

• дистанционные кольца;
• втулки;
• крышки;
• колпаки;
• маховики;
• стаканы под размещение подшипников;
• прихваты и планки.

Каркасные конструкции и корпусные изделия

В этих случаях недостаток прочности низкоуглеродистых типов стали компенсируется увеличенной толщиной несущих частей, а их главное преимущество – отличная свариваемость – повышает технологичность производства.

Для деталей механизмов, которые будут испытывать значительные нагрузки, предпочтительно применять среднеуглеродистые типы стали с возможностью закалки. Можно использовать и низкоуглеродистые с последующей цементацией, чтобы улучшить их прочностные характеристики.

Речь идет о следующих деталях:

• шкивы ременных передач;
• звездочки цепных передач;
• зубчатые колеса и шестерни, валы-шестерни;
• валы и оси;
• шпиндели;
• рычаги;
• ролики;
• штоки и поршни цилиндров.

Процесс производства таких изделий включает несколько этапов. Сначала получают заготовку, которая может быть отрезком проката, отливкой, штампованной или покованной деталью. Затем она проходит механическую и термическую обработку.

Для доводки и окончательной отделки применяются абразивные методы, такие как шлифование, хонингование, притирка и суперфиниширование. Однако использование абразивных инструментов на незакаленных сплавах может быть неэффективным, поскольку режущие зерна засаливаются и теряют свою остроту.

Высокоуглеродистые типы стали для рессор и пружин используют только в особых случаях, потому что их трудно обрабатывать. Исправить дефекты также крайне сложно. Такие сплавы необходимы для производства спиральных пружин, рессор, цанг, направляющих и других деталей, где необходима упругость и твердость.

Инструмент

Инструментальные типы стали востребованы благодаря выдающимся характеристикам. Углеродистые, обозначенные буквой «У» в маркировке, применяются для изготовления:

• напильников и надфилей;
• резцов по дереву;
• отверток, шестигранных и гаечных ключей;
• плоскогубцев, бокорезов, кусачек;
• садовых ножниц;
• ножниц по металлу;
• пил и ножовок;
• топоров;
• метчиков и плашек;
• кернов и ударников для маркировки;
• накатных роликов;

• сверл, зенковок, цековок;
• мерительного инструмента (штангенциркулей, микрометров);
• калибров;
• механических угломеров;
• оснастки для штамповки (матрицы, пуансоны).

Углеродистые инструментальные типы стали имеют ограничение по применению из-за чувствительности к высокой температуре. Они не подходят для условий, где нагрев превышает +250…+300 °C, так как в этом случае прочностные и твердостные характеристики материала начинают ухудшаться.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.