Розібратися в такому питанні, як класифікація вуглецевих сталей, дуже важливо, так як це дозволяє отримати повне уявлення про характеристики того чи іншого різновиду цього популярного матеріалу. Маркування таких сталей, як і будь-яких інших, не менш важлива, і фахівець повинен вміти розбиратися в ній, щоб правильно вибрати сплав відповідно до його властивостями і хімічним складом.
З вуглецевих сталей випускається величезний асортимент металопрокату
Відмінні характеристики і основні категорії
До вуглецевої сталі, основу яких складають залізо і вуглець, відносять сплави, що містять мінімум додаткових домішок. Кількісний вміст вуглецю є підставою для наступної класифікації сталей:
- низьковуглецеві (вміст вуглецю в межах 0,2%);
- середньовуглецеві (0,2-0,6%);
- високовуглецеві (до 2%).
Норми вмісту хімічних елементів в вуглецевої сталі
Крім гідних технічних характеристик, слід зазначити доступну вартість вуглецевих сталей, що важливо для матеріалу, широко застосовується для виробництва найрізноманітніших виробів.
До найбільш значущих переваг вуглецевих сталей різних марок можна віднести:
- високу пластичність;
- хорошу оброблюваність (незалежно від температури нагріву металу);
- відмінну зварюваність;
- збереження високої міцності навіть при значному нагріванні (до 400 °);
- хорошу переносимість динамічних навантажень.
Є у вуглецевих сталей і недоліки, серед яких варто виділити:
- зниження пластичності сплаву при збільшенні в його складі вмісту вуглецю;
- погіршення ріжучої здатності і зниження твердості при нагріванні до температур, що перевищують 200 °;
- високу схильність до утворення і розвитку корозійних процесів, що накладає додаткові вимоги до виробів з такої сталі, на які має бути нанесено захисне покриття;
- слабкі електротехнічні характеристики;
- схильність до теплового розширення.
На окрему увагу заслуговує класифікація вуглецевих сплавів за структурою. Основний вплив на перетворення в них надає кількісний вміст вуглецю. Так, стали, що відносяться до категорії доевтектоїдних, мають структуру, основу якої складають зерна фериту і перліту. Зміст вуглецю в таких сплавах не перевищує 0,8%. Зі збільшенням кількості вуглецю зменшується кількість фериту, а обсяг перліту, відповідно, збільшується. Стали, в складі яких міститься 0,8% вуглецю, по даній класифікації відносять до Евтектоїдних, основу їх структури переважно становить перліт. При подальшому збільшенні кількості вуглецю починає формуватися вторинний цементит. Стали з такою структурою відносяться до заевтектоідной групі.
Мікроструктура сталей формується в процесі кристалізації і залежить від змісту в сплаві вуглецю
Збільшення в складі стали кількості вуглецю до 1% призводить до того, що такі властивості металу, як міцність і твердість, значно поліпшуються, а межа плинності і пластичність, навпаки, погіршуються. Якщо кількість вуглецю в стали перевищуватиме 1%, це може привести до того, що в її структурі буде формуватися груба сітка з вторинного мартенситу, що самим негативним чином позначається на міцності матеріалу. Саме тому в сталях, що відносяться до категорії високовуглецевих, кількість вуглецю, як правило, не перевищує 1,3%.
На властивості вуглецевих сталей серйозний вплив надають і домішки, що містяться в їх складі. Елементами, які позитивно впливають на характеристики сплаву (покращують розкислення металу), є кремній і марганець, а фосфор і сірка — це домішки, що погіршують його властивості. Фосфор при підвищеному вмісті в складі вуглецевої сталі призводить до того, що вироби з неї покриваються тріщинами і навіть ламаються при впливі низьких температур. Таке явище носить назву хладноломкости. Що характерно, стали з підвищеним вмістом фосфору, якщо вони знаходяться в нагрітому стані, добре піддаються зварюванню й обробці за допомогою кування, штампування та ін.
Вміст хімічних елементів в вуглецевої сталі різних марок
У виробах з тих вуглецевих сталей, в складі яких в значній кількості міститься сірка, може виникати таке явище, як красноломкость. Суть цього феномена полягає в тому, що метал під впливом високої температури починає погано піддаватися обробці. Структура вуглецевих сталей, в складі яких міститься значна кількість сірки, являє собою зерна з легкоплавкими утвореннями на кордонах. Такі освіти при підвищенні температури починають плавитися, що призводить до порушення зв’язку між зернами і, як наслідок, до утворення численних тріщин в структурі металу. Тим часом параметри сірчистих вуглецевих сплавів можна поліпшити, якщо виконати їх микролегирование за допомогою цирконію, титану та бору.
технології виробництва
На сьогоднішній день в металургійній промисловості використовуються три основних технології виробництва вуглецевої сталі. Їх основні відмінності полягають в типі використовуваного обладнання. це:
- плавильні печі конвертерного типу;
- мартенівські установки;
- плавильні печі, що працюють на електриці.
У конвертерних установках расплавкі піддаються всі складові сталевого сплаву: чавун і сталевий брухт. Крім того, розплавлений метал в таких печах додатково обробляється за допомогою технічного кисню. У тих випадках, коли домішки, присутні в розплавленому металі, необхідно перевести в шлак, в нього додають обпалене вапно.
Піч для конвертерної виплавки стали
Процес отримання вуглецевої сталі за даною технологією супроводжується активним окисленням металу і його чадом, величина якого може доходити до 9% від загального обсягу сплаву. До недоліку даного технологічного процесу слід віднести і те, що він проходить з утворенням значної кількості пилу, а це викликає необхідність використання спеціальних пилоочисного установок. Застосування таких додаткових пристроїв позначається на собівартості виробленої продукції. Однак всі недоліки, якими характеризується цей технологічний процес, в повній мірі компенсуються його високою продуктивністю.
Виплавка в мартенівської печі — ще одна популярна технологія, яку застосовують для одержання вуглецевих сталей різних марок. В ту частину мартенівської печі, яка називається плавильної камерою, завантажується вся необхідна сировина (сталевий брухт, чавун та ін.), Яке піддається нагріванню до температури плавлення. У камері відбуваються складні фізико-хімічні взаємодії, в яких беруть участь розплавлені метал, шлак і газове середовище. В результаті виходить сплав з необхідними характеристиками, який в рідкому стані виводиться через спеціальний отвір в задній стінці печі.
Цех мартенівських печей
Сталь, що отримується при виплавці в електричних печах, за рахунок використання принципово іншого джерела нагрівання не береться впливу окислювального середовища, що дозволяє зробити її чистішою. У різних марках вуглецевої сталі, отриманої при виплавці в електричних печах, присутній меншу кількість водню. Цей елемент є основною причиною появи в структурі сплавів флокенов, значно погіршують їх характеристики.
Яким би способом не виплавляється вуглецевий сплав і до якої б категорії в класифікації він не ставився, основною сировиною для його виробництва є чавун і металевий лом.
Способи поліпшення характеристик міцності
Якщо властивості марок легованих сталей покращують за допомогою введення в їх склад спеціальних добавок, то рішення такого завдання по відношенню до вуглецевої сплавів здійснюється за рахунок виконання термообробки. Одним з передових методів останньої є поверхнева плазмова гарт. В результаті використання цієї технології в поверхневому шарі металу формується структура, що складається з мартенситу, твердість якого становить 9,5 ГПа (на деяких ділянках вона доходить до 11,5 ГПа).
Саме обладнання для плазмової гарту малогабаритне, мобільно і просто в експлуатації
Поверхнева плазмова гарт також призводить до того, що в структурі металу формується метастабільний залишковий аустеніт, кількість якого зростає, якщо в складі стали збільшується процентний вміст вуглецю. Дане структурне утворення, яке може перетворитися в мартенсит при виконанні обкатки вироби з вуглецевої сталі, значно покращує таку характеристику металу, як зносостійкість.
Одним з ефективних способів, що дозволяють значно поліпшити характеристики вуглецевої сталі, є хіміко-термічна обробка. Суть даної технології полягає в тому, що сталевий сплав, нагрітий до певної температури, піддають хімічній дії, що і дозволяє значно поліпшити його характеристики. Після такої обробки, якої можуть бути піддані вуглецеві стали різних марок, підвищуються твердість і зносостійкість металу, а також поліпшується його корозійна стійкість по відношенню до вологих і кислим середах.
Обробка деталей хіміко-термічним способом у вакуумній печі значно збільшує поверхневу міцність
Інші параметри класифікації
Ще одним параметром, за яким класифікують вуглецеві сплави, є ступінь їх очищення від шкідливих домішок. Кращими механічними характеристиками (але і більш високою вартістю) відрізняються стали, в складі яких присутній мінімальну кількість сірки і фосфору. Даний параметр став підставою для класифікації вуглецевих сталей, відповідно до якої виділяють сплави:
- звичайної якості (В);
- якісні (Б);
- підвищеної якості (А).
Загальні принципи класифікації сталей
Стали першої категорії (їх хімічний склад не уточнюється виробником) вибирають, грунтуючись тільки на їх механічні характеристики. Такі стали відрізняються мінімальною вартістю. Їх не піддають ні термообробці, ні обробці тиском. Для якісних сталей виробник обумовлює хімічний склад, а для сплавів підвищеної якості — і механічні властивості. Що важливо, вироби зі сплавів перших двох категорій (Б і В) можна піддавати термообробці і гарячої пластичної деформації.
Існує класифікація вуглецевих сплавів і за їх основним призначенням. Так, розрізняють конструкційні стали, з яких виробляють деталі різного призначення, і інструментальні, використовувані в повній відповідності з їх назвою — для виготовлення різного інструмента. Інструментальні сплави, якщо порівнювати їх з конструкційними, відрізняються підвищеною твердістю і міцністю.
Зміст основних елементів в інструментальних сталях
У маркуванні вуглецевої сталі можна зустріти позначення «сп», «пс» і «кп», які вказують на ступінь її розкислення. Це ще один параметр класифікації таких сплавів.
Літерами «сп» у маркуванні позначаються спокійні сплави, в складі яких може міститися до 0,12% кремнію. Вони характеризуються хорошою ударною в’язкістю навіть при низьких температурах і відрізняються високою однорідністю структури і хімічного складу. Є у таких вуглецевих сталей і мінуси, найбільш значущі з яких полягають в тому, що поверхня виробів з них менш якісна, ніж у киплячих сталей, а після виконання зварювальних робіт характеристики деталей з них значно погіршуються.
Напівспокійну сплави (позначаються буквами «пс» у маркуванні), в яких кремній може міститися в межах 0,07-0,12%, характеризуються рівномірним розподілом домішок в своєму складі. Цим забезпечується сталість характеристик виробів з них.
Характеристики поширених напівспокійних сталей
У киплячих вуглецевих сталях, що містять не більше 0,07% кремнію, процес розкислення повністю не завершений, що стає причиною неоднорідності їх структури. Тим часом їх виділяє ряд переваг, до найбільш значущих з яких слід віднести:
- невисоку вартість, що пояснюється незначним вмістом спеціальних добавок;
- високу пластичність;
- хорошу зварюваність і оброблюваність за допомогою методів пластичної деформації.
Як маркуються вуглецеві сталеві сплави
Розібратися в принципах маркування вуглецевої сталі так само нескладно, як і в підставах її класифікації: вони мало чим відрізняються від правил позначення сталевих сплавів інших категорій. Для того щоб розшифрувати таке маркування, не потрібно навіть заглядати в спеціальні таблиці.
Приклади розшифровки маркування
Буква «У», що стоїть на самому початку позначення марки сплаву, вказує на те, що він відноситься до категорії інструментальних. Про те, в яку якісну групу входить вуглецева сталь, кажуть літери «А», «Б» і «В», що проставляються в самому кінці маркування. Кількість вуглецю, що міститься в сплаві, проставляється на самому початку його маркування. При цьому для сталей, що володіють підвищеною якістю (група «А»), кількість даного елемента буде вказано в сотих частках відсотка, а для сплавів груп «Б» і «В» — в десятих.
У маркуванні окремих вуглецевих сталей можна зустріти букву «Г», що стоїть після цифр, що вказують на кількісний вміст вуглецю. Така буква свідчить про те, що в металі міститься підвищена кількість такого елемента, як марганець. На те, якою мірою розкислення відповідає вуглецева сталь, вказують позначення «сп», «пс» і «кп».
Вуглецеві сплави завдяки своїм характеристикам і невисокій вартості активно використовуються для виробництва елементів будівельних конструкцій, деталей машин, інструментів і металевих виробів різного призначення.