Низкоуглеродистые стали: методы изготовления, маркировки и применение

Виды

Низкоуглеродистая сталь может быть трех видов:

Обычного качества. В таких сплавах содержание серы не превышает 0,06%, фосфора 0,07%.
Качественная. В составе наличие: серы до 0,04%, фосфора до 0,035%.
Высококачественная. Содержание серы до 0,025%, фосфора до 0,025%
Особого качества. Низкое содержание примесей: серы до 0,015%, фосфора — до 0,025%.

Как уже говорилось ранее, чем меньше примесей, тем лучше качество сплава.

Сталь низкоуглеродистая ГОСТ 380-94 обыкновенного качества делится еще на три группы:

А. Определяется своими механическими свойствами. Форма поставки потребителю чаще всего встречается в виде многопрофильного и листового проката.
Б. Основные показатели — химический состав и свойства. Оптимальные для механического воздействия давлением под термическим фактором (ковка, штамповка).
В. Для таких видов сплавов важны такие свойства: технические, технологические, физические, химические и, соответственно, состав.

По процессу раскисления стали делят на:

Спокойные. Процесс затвердевания происходит спокойно. Газы при таком процессе не выделяются. Усадка происходит в середине слитка.
Полуспокойные. Промежуточный вид стали между спокойными и кипящими составами.
Кипящие. Затвердевание происходит с выделением газа. Усадочная раковина скрытого типа.

Состав

Сталь – железо, обогащенное углеродом в процессе плавки. Для углеродистых выплавок характерно наличие углерода, который определяет основные свойства металла, и примесей: фосфора (до 0,07%), кремния (до 0,35%), серы (до 0,06%), марганца (до 0,8%). Так, низкоуглеродистая сталь содержит не более 0,25% углерода.

Что касается других добавок, марганец и кремний служат раскислению (удалению кислорода из жидкого металла, что уменьшает хрупкость при горячей деформации). А вот повышенный процент серы может привести к растрескиванию сплава при термической обработке, фосфора – при холодной.

Обозначение качественных сталей

Марки качественной углеродистой стали обозначаются средним числом содержания в них углерода, в сотых долях процента. Правая буква маркировки обозначает повышенное содержание какого-то элемента, цифра-средний процент содержания этого элемента. При этом буква Г-обозначает марганец, С-кремний, X-хром, Н-никель, В-вольфрам, Ф-ванадий, М-молибден, Ю-алюминий. Обозначение марок высококачественной стали, более чистой ю сравнению с качественной, по содержанию серы и фосфора, а с повышенными механическими свойствами дополняются буквой А после цифры. Например: марка 10 означает, что сталь содержит углерода от 0,05 до 0,15%; марка 30Г2 означает, что сталь содержит углерода от 0,25 до 0,35% и марганца 2%. Марка 10А означает, что сталь высококачественная, содержит серы и фосфора меньше, чем марка 10.

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

Производство низкоуглеродистого сплава можно разложить на несколько этапов: загрузку в печь чугуна и лома (шихты), термическое воздействие до состояния плавления, удаление из массы примесей.

Далее может происходить разливка стали или дополнительная обработка: шлаком или вакуумом и инертными газами.

Для исполнения таких процессов пользуются тремя способами:

Мартеновские печи. Самое распространенное оборудование. Процесс плавки происходит в течение нескольких часов, что позволяет отслеживать лабораториям качество получаемого состава.
Конвекторные печи. Производится за счет продувки кислородом. Следует отметить, что сплавы, полученные таким способом, не отличаются высоким качеством, так как содержат большее количество примесей.
Индукционные и электропечи. Процесс производства идет с применением шлака. Таким способом получаются высококачественные и специализированные сплавы.

Рассмотрим особенности классификации сплавов.

Особенности сварки

Сварка низкоуглеродистых сталей имеет высокие показатели. Тип сварки, электроды и их толщину подбирают на основе следующих технических данных:

Соединение непременно должно быть прочно скреплено.
Не должно быть дефектов швов.
Химический состав шва должен выполняться в соответствии нормативам, указанных в ГОСТе.
Сварные соединения должны соответствовать условиям эксплуатации (устойчивость к вибрациям, механическому воздействию, температурному режиму).

Могут использоваться различные виды сварки от газовой до сварки в среде углекислого газа плавящимся электродом. При подборе учитывают высокую плавкость низкоуглеродистых и низколегированных сплавов.

Что касается конкретно сферы применения, то низкоуглеродистый прокат используется в строительстве и машиностроении.

Марка стали подбирается на основе требуемых на выходе физических и химических свойств. Наличие легирующих элементов может улучшить одни свойства (стойкость к коррозии, температурным перепадам), но и ухудшить другие. Хорошая свариваемость — еще одно достоинство таких сплавов.

Итак, мы выяснили, что собой представляют изделия из низкоуглеродистой и низколегированной стали.

Использование

Высокоуглеродистая сталь марок 55, 60, 70 характеризуются высокой твердостью, прочностью, поэтому пригодны для изготовления:

Высокопрочной проволоки.
Стальной дроби, использующейся для абразивной обработки материалов (рубленой, литой, колотой).
Тросов.
Штоков.
Пружин.
Режущих инструментов.
Деталей землеройных и сельскохозяйственных машин.

Углеродистая качественная конструкционная сталь 15, 35, 45, 50 используется для деталей с последующей цементацией, чтобы повысить твердость, износоустойчивость деталей:

Валов.
Зубчатых колес.
Осей.
Гаек.
Болтов.
Напильников.

Прочие детали, в процессе эксплуатации испытывающие трение.

Марки ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, имеющие легирующую добавку хрома, используют для изготовления подшипников.

Инструментальную сталь повышенного качества широко применяют при производстве металлообрабатывающих инструментов особой твердости: резцов, зенковок, сверл.

Информацию по всем углеродистым металлам можно найти в различных ГОСТ. Как правило, в первую очередь специалисты обращаются к стандартам № 1050 от 1988 и № 380 от 2005 годов, в которых по отдельным позициям есть сноски на иные нормативные документы.

Что такое углеродистая сталь?

Проще говоря, углеродистая сталь по определению очень проста. Это просто железо с небольшим количеством углерода и ограниченным количеством легирующих элементов. Углеродистая сталь состоит из железа и 0.12–2.00 процента углерода. Более широкое определение включает легированные стали, которые также могут содержать до 10.5% сплава. Даже в пределах менее двух процентных пунктов углерода наблюдаются огромные различия в физических характеристиках, особенно в твердости.

Когда люди упоминают углеродистую сталь, они обычно имеют в виду сталь с высоким содержанием стали, которая используется для изготовления ножей и инструментов.

В рамках определения углеродистой стали материалы часто определяются как низкоуглеродистая сталь или высокоуглеродистая сталь. Низкоуглеродистые стали чрезвычайно распространены, в то время как высокоуглеродистые стали используются только в высокопрочных, некоррозионных средах.

Высокоуглеродистые стали очень твердые, что позволяет им хорошо сопротивляться истиранию и сохранять свою первоначальную форму и дизайн. Перед деформацией они выдержат значительную силу. К сожалению, твердые металлы также являются хрупкими: когда они подвергаются экстремальному растягивающему напряжению, высокоуглеродистые стали с большей вероятностью трескаются, чем изгибаются.

Низкоуглеродистые стали более распространены, чем высокоуглеродистые, по нескольким причинам, в том числе: более низкие производственные затраты, большая пластичность и простота использования в производстве.

Низкоуглеродистые стали имеют тенденцию к деформации под действием напряжения, а не к разрушению, что делает эти низкоуглеродистые стали легкими в обработке и сварке. Они часто используются в автомобильных кузовных панелях, болтах, приспособлениях, бесшовных трубах и пластинах.

Разновидность низкоуглеродистых сталей

В составе низкоуглеродистых сплавов присутствуют примеси различного характера. Повышенное содержание серы и фосфора напрямую влияют на свойства металла, может привести к растрескиванию при обработке. Марганец, кремний не снижают характеристик, участвуют в процессе раскисления, удаления кислорода. Кислород удаляют для повышения прочности материала при горячих деформациях.

По степени удаления кислорода, раскисленности, стали классифицируют на:

кипящие;
спокойные;
полуспокойные.

Низколегированные стали представляют собой сплав с малым содержанием углерода и малыми примесями легирующих добавок, общим соотношением до 4%. Легирующие элементы нужны для повышения каких-либо эксплуатационных свойств при сохранении хороших сварочных характеристик. Повышенная устойчивость металла к коррозии, способность работать при экстремально низких и высоких температурах без деформации достигается легированием.

Качество низкоуглеродистой стали определяют по содержанию примесей серы, фосфора в сплаве.

По виду свойств различают:

Обычное качество. Сера в составе — до 0,06%, фосфор — до 0,07%.
Качественная сталь. Массовая доля серы — до 0,04%, фосфора — до 0,035%.
Высококачественная сталь. Содержание серы — до 0,025%, фосфора — до 0,025%.
Особое качество. Минимальное присутствие примесей: допустимые значения серы — до 0,015%, фосфора — до 0,025%.

Применение стали Ст1пс

Марка Ст1пс – востребованное сырье в металлургии, из низкоуглеродистой стали изготавливается широкий сортамент сортового и фасонного металлопроката:

низкоуглеродистая и эпоксидопокрытая проволока;
стальные уголки и профили;
горячекатаные полосы и ленты;
швеллеры;
электросварные, водогазопроводные и прямошовные трубы;
листовой прокат.

Метизная продукция изготавливается в соответствии с государственными стандартами. ТОРГОВЫЙ ДОМ СЕТОК предлагает проволоку с эпоксидным покрытием из низкоуглеродистой стали марки Ст1пс, которая изготовлена по специально разработанным ТУ 25.93.13-004-38279335-2017. У низкоуглеродистых сеток из сплава марки Ст1пс назначение следующее: фильтры в гидравлических и вентиляционных системах, москитные сетки, элементы дизайна и т. п.

Ст1пс, применение этой стали в производстве промышленного оборудования и строительстве: из сплава изготавливаются анкеры и болты, детали высокой вязкости, неответственная арматура, заклепки и т. п.

Сфера применения

Низкоуглеродистые сплавы широко используются различными направлениями промышленности и производства.

По виду профиля классифицируют следующие группы выпускаемой продукции:

Плоский листовой прокат. Рифлёная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосовая, полосовая продукция.
Равнополочные, неравнополочные угловые профили.
Швеллеры.
Трубы, круглого, квадратного, прямоугольного сечения.
Тавры, двутавры. Балки двутавровые широкополочные, обыкновенные.
Профилированный металлический лист различной толщины.

Самый большой сегмент продукции составляет плоский листовой прокат, полосы. Холодной штамповкой получают высокопрочную проволоку, пружины, рессоры для машиностроения. Детали и заготовки легко свариваются, получили большое распространение в строительной отрасли производства, автомобилестроении. Из низкоуглеродистых сплавов изготавливают кузовные детали, оси, топливные баки, рамы сельскохозяйственных машин и многие другие детали, постоянно встречающиеся в повседневной жизни.

Источник

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 сварки

Соединение непременно должно быть прочно скреплено.
Не должно быть дефектов швов.
Химический состав шва должен выполняться в соответствии нормативам, указанных в ГОСТе.
Сварные соединения должны соответствовать условиям эксплуатации (устойчивость к вибрациям, механическому воздействию, температурному режиму).

Итак, мы выяснили, что собой представляют изделия из низкоуглеродистой и низколегированной стали.

Основные способы получения низкоуглеродистых сплавов

Все сплавы при получении проходят одинаковые технологические стадии, дополнительную обработку. Плавильная печь загружается сырьём, шихтой, нагревается до расплавления, удаляются лишние примеси. Дополнительная обработка зависит от конкретного заданного состава продукта, нужных химических, физических свойств.

По технологии производства, оборудованию сплавы получают:

кислородно-конверторным способом выплавки;
мартеновским способом получения;
электротермическим способом производства.

Кислородно-конверторный метод

Этот способ производства низкоуглеродистого сплава назван по двум составляющим технологии. Кислород, содержащийся в воздухе, окисляет избыток углерода и примесей в конверторной печи. Конверторная печь имеет объём 50–60 т. Расплавленное сырьё, шихта, продувается нагретым кислородом под давлением. Стены конвектора имеют грушевидную форму, выполнены из металла с дополнительной футеровкой. Материал футеровки химически участвует в процессе выплавки, вступая в реакцию с расплавленным сырьём.

Мартеновский метод

Мартеновские печи отличаются большим размером плавильных ванн, производительностью до 500 тонн продукции. Выжигание углерода, примесей также идёт кислородом, но кислород получают не только из воздуха. Дополнительно шихту обогащают железной рудой, ломом, покрытым ржавчиной. Оксиды железа, участвуя в процессе, выделяют кислород. Камеры-регенераторы осуществляют предварительный нагрев горючего газа и воздуха, попеременно выпускают содержимое через плавильную ванну. Процесс происходит в течение 6–7 часов, по завершении нагрев прекращается, добавляются раскислители.

Электротермический метод

Этот способ позволяет получить точно заданные физические и химические свойства, применяется только для получения высококачественных сплавов. Большой расход энергии при термической обработке, до 800 кВт на 1 тонну стали, должен быть экономически оправдан. Температура печи доходит до 1650 градусов, ёмкость ванн 0,5–180 тонн.

При высокой температуре сера и фосфор удаляются практически без остатка, переплавляется тугоплавкое сырьё. Химические реакции при производстве аналогичны мартеновскому способу.

Низко-, средне- и высокоуглеродистая сталь – разница между низко-, средне- и высокоуглеродистыми сталями

Основное различие между низко-, средне- и высокоуглеродистыми сталями заключается в содержании углерода, что приводит к различиям в их свойствах и областях применения.

Низкоуглеродистая сталь включает в себя большинство обычных углеродистых конструкционных сталей и некоторые высококачественные углеродистые конструкционные стали. Большинство из них используются для инженерных конструкционных деталей без термической обработки, а некоторые используются для механических деталей, требующих износостойкости после углеродистой и другой термической обработки. Легко принимает все виды обработки, такие как ковка, сварка и резка. Его часто используют для изготовления цепей, заклепок, болтов, валов и т. д.

Низкоуглеродистая сталь обладает хорошей способностью к холодной штамповке и может подвергаться холодной штамповке, гибке, штамповке и другим методам. Этот вид стального ребра имеет хорошую свариваемость. Низкоуглеродистая сталь с низким содержанием углерода имеет низкую твердость и плохую обрабатываемость. Закалка может улучшить его обрабатываемость. Низкоуглеродистая сталь обычно прокатывается в уголки, швеллеры, двутавры, стальные трубы, контейнеры, ящики, корпуса печей, сельскохозяйственные машины, инструменты и т. д. Высококачественная низкоуглеродистая сталь прокатывается в тонкие листы для получения глубоких продукты волочения, такие как автомобильная кабина и крышка генератора; он также прокатывается в прутки для изготовления механических деталей с требованиями прочности. Низкоуглеродистая сталь обычно не подвергается термической обработке перед применением, а те, у которых содержание углерода более 0,15%, науглероживают или цианируют для соответствия требованиям вала,

Использование низкоуглеродистой стали ограничено из-за ее низкой прочности. Надлежащее увеличение содержания марганца в углеродистой стали и добавление микроэлементов, таких как ванадий, титан и ниобий, может значительно повысить прочность стали. Если уменьшить содержание углерода в стали и добавить небольшое количество алюминия, бора и карбидообразующих элементов, можно получить сверхнизкоуглеродистый бейнит, обладающий высокой прочностью и сохраняющий хорошую пластичность и ударную вязкость.

Среднеуглеродистая сталь является сортом черного металла, кроме углерода может содержать также небольшое количество марганца (от 0,60% до 1,65%). по качеству продукции она делится на обычную углеродистую конструкционную сталь и высококачественную углеродистую конструкционную сталь. Он имеет хорошие характеристики горячей обработки и резки и плохие характеристики сварки. Его прочность и твердость выше, чем у низкоуглеродистой стали, а пластичность и ударная вязкость ниже, чем у низкоуглеродистой стали. Его можно использовать непосредственно без термической обработки, горячекатаных и холоднотянутых материалов или после термической обработки. Среднеуглеродистая сталь после закалки и отпуска имеет хорошие комплексные механические свойства. Максимальная твердость, которая может быть достигнута, составляет около HRC55. Следовательно, среднеуглеродистая сталь является наиболее широко используемой в различных приложениях со средним уровнем прочности. Помимо использования в качестве строительных материалов, среднеуглеродистая сталь также широко используется для изготовления различных механических деталей. Среднеуглеродистая сталь имеет более высокое содержание углерода, чем низкоуглеродистая сталь, более высокую прочность и плохую свариваемость.

Высокоуглеродистую сталь часто называют инструментальной сталью. Молот и лом изготовлены из стали с содержанием углерода 0,75%; режущие инструменты, такие как сверло, метчик и развертка, изготовлены из стали с содержанием углерода от 0,90% до 1,00%. Высокоуглеродистая сталь имеет плохие сварочные характеристики из-за высокого содержания углерода. Высокоуглеродистая сталь более склонна к термическим трещинам, чем среднеуглеродистая сталь.