Углеродистая сталь — классификация, маркировка и применение

Что собой представляют углеродистые стали

Углеродистые стали представляют собой сплав железа, в котором содержание углерода до 0,6%. Количество серы и фосфора зависит от качества металла. Легирующие элементы присутствуют в незначительном количестве. Качественные характеристики зависят от количества углерода, серы, фосфора, марганца и кремния.

• твердость;
• свариваемость;
• прочность;
• вязкость;
• упругость.

Чем больше углерода, тем выше твердость, хрупкость и хуже свариваемость.

Что такое сталь и с чем её едят?

Сталь (от нем. Stahl) — сплав железа (не менее 45%) с углеродом (от 0,1 до 2,14 %) и другими элементами, сопутствующими железу в его сплавах (марганец, сера, фосфор). Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Добавление других элементов для изменения (улучшения) химических и физических свойств исходного сплава называется легирование. Наряду с нанесением защитного покрытия (окраска изделий, хромирование, цинкование) легирование применяется для повышения коррозионной стойкости металла.

Таким образом, любая нержавеющая сталь – легированная (улучшенная) сталь, устойчивая к коррозии. Вопрос в том, насколько?

Нержавеющие стали делят на три группы:

• Коррозионностойкие стали — от них требуется стойкость к коррозии в несложных промышленных и бытовых условиях (бытовая нержавеющая посуда и тара, хирургические инструменты и др.).
• Жаростойкие стали — от них требуетя жаростойкость (окалиностойкость) — то есть стойкость к коррозии при высоких температурах в сильно агрессивных средах (например, на химических заводах). Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые изменяют состав и строение окалины.
• Жаропрочные стали — от них требуется жаропрочность — то есть хорошая механическая прочность при высоких температурах.

Общие характеристики

Углеродистая сталь делится на 3 группы по требованиям к химическому составу и механическим свойствам. Обозначение буквенное. Определяющим для группы является:

• А — механические свойства;
• Б — химический состав;
• В — строго выдерживается химсостав и основные механические свойства.

Сплавы группы В проверяются на химию, и во время разлива с ковша берется образец для проверки механических характеристик — предел прочности на растяжение и изгиб, ударная вязкость. Твердость регулируется термообработкой.

Области использования и применения

Области и сферы применения деталей и изделий из конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества общего назначения.

1. Ст0. Ее используют для изготовления неответственных деталей, к которым относятся кожух, ограждения, перила, сплошная обшивка и прочие.
2. Ст1. Детали, изготовленные из нее, обладают малой твердостью, но высокой вязкостью. Из Ст1 изготавливают болты фундаментные, анкерные; метизы для сборки обшивки.
3. Ст2 применяется при изготовлении деталей и элементов неответственных конструкций, от которых требуется высокая пластичность, глубокая вытяжка при штамповке и пластической деформации.
4. Ст3. Из нее производят несущие конструкции получаемые при помощи сварки и не используя ее. В автомобиле- и тракторостроении изготавливают рамы, кузова, колесные диски, детали для сельскохозяйственной техники. В строительстве пруток используется в качестве арматуры при производстве железобетонных изделий.
5. Ст5. Термически улучшаемые детали: стержень, клин, палец, рычаг, различные метизы. Средненагруженные элементы грузоподъемных сооружений: крюк, ось, вал.
6. Ст6. В станкостроении из данной стали изготавливают ударные элементы для молотов (баба), шпинделя метало- и деревообрабатывающих станков, соответственно после термического упрочнения.

Из всех марок сталей производится фасонный прокат: двутавр, швеллер, уголок.

Сварные конструкции рекомендуется возводить из сплавов группы Б.

Состав химических элементов

Основной элемент — железо. Отношение к группе определяется количеством углерода. Содержание неметаллических включений фосфора и серы ухудшает механические качества. Они способствуют красноломкости и хладоломкости, образованию трещин в горячем и холодном металле.

Коррозионная устойчивость обеспечивается низким содержанием углерода и добавлением хрома. Количество химических элементов в углеродистой стали марганца и кремния зависит от способа раскисления и класса качества. Марганец может присутствовать в пределах 1,2% в сплавах нормального качества, до 1,8% в высококачественных. Содержание кремния не превышает 0,3%.

Высококачественные стали группы В проверяют по свойствам и химическому составу. Допустимое количество неметаллических включений — 0,03–0,0018%.

От количества углерода зависит твердость стали, ее способность к закалке и свариванию.

Чем ниже показатель углерода, тем лучше варится металл. Ст 40Х требует подогрева перед сваркой, Ст 6 — нагрева до 700⁰ и послесварочного отпуска. Прокаливаемость наоборот. До Ст4 сплавы не калятся, не изменяют свою твердость. Сталь 40х может потрескаться при резком охлаждении в воде.

Нагрев стали

Применение углеродистых сталей

Классификация по области использования дает первичное представление о том, с какой целью и какие сплавы назначают в тех или иных случаях.

Но следует рассмотреть более подробно, как именно себя ведут углеродистые стали непосредственно «на службе».

Производство деталей машин

Если поставлена цель — изготовить определенную деталь механизма — и в перечне условий стоит выпуск из углеродистых сталей, то сначала оценивают, в каком режиме предстоит работать изделию.

Низкоуглеродистые марки закладывают для элементов, которые не воспринимают значимых нагрузок и не подвержены вибрации или ударам. Сюда входят:

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

Отдельная категория — сварные каркасные конструкции и корпусные изделия. Здесь малую прочность низкоуглеродистых сталей компенсируют толщиной несущего сечения, а главное достоинство — податливость сварным процессам — повышает общую технологичность.

Если деталь механизма будет работать с серьезными нагрузками, то для нее нужно использовать среднеуглеродистые стали с прицелом на закалку или низкоуглеродистые — держа в уме необходимость цементации.

В список такой продукции войдут:

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

Технологический процесс выпуска подобных деталей включает получение заготовки (отрезок проката, отливка, штамповка или поковка), механическую и термическую обработку. В качестве доводочных и отделочных операций закладывают воздействие абразивом: шлифование, хонингование, притирка, суперфиниширование. Эффективно работать абразивным инструментом по незакаленным сталям нельзя из-за засаливания режущих зерен.

К высокоуглеродистым рессорно-пружинным маркам обращаются только в особых случаях — они куда сложнее в обработке и не прощают ошибок (заварить дефект будет очень сложно). Среди очевидных примеров — навивка спиральных пружин, изготовление рессор, выпуск цанг, направляющих скольжения и иных деталей, где нужны упругие свойства и высокая твердость.

Производство инструмента

Инструментальные стали не зря заслужили столь громкое и однозначное название. Углеродистые марки с передней приставкой «У» используют для производства:

• 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).

Нужно отметить, что ограничением в использовании углеродистых инструментальных сталей выступает нагрев. Их нельзя применять в условиях, где температура возрастает свыше +250..+300°С — закаленный металл отпускается, теряет свою прочность и твердость.

Кроме того, углеродистые марки уступают по своим функциональным характеристикам легированным сплавам. Они неспособны успешно резать или давить материалы, превосходящие их по прочностным параметрам. Поэтому сферой применения остается ручной инструмент, а также холодная обработка дерева, пластика и мягких цветных металлов.

В производстве используют только кованые заготовки — литье полностью исключено, а из проката в качестве исходника берут специальный упрочненный сортамент, предназначенный именно для изготовления инструмента.

Материал точат, сверлят и фрезеруют, подвергают закалке, а в конце — дорабатывают абразивным воздействием. На шлифовку изделия обычно уходит до 40% всей трудоемкости работ, поскольку именно здесь инструмент приобретает финальные профиль и размеры, а во время этих операций снимают всю часть поверхностного слоя, где могут скопиться дефекты после термической обработки.

Производство крепежа

Согласно ГОСТ 1759.4-87, в котором оговорены требования к механическим свойствам резьбового крепежа, в производстве болтов, винтов и шпилек используют:

• углеродистые стали 10 и 20 — для классов прочности 3.6, 4.6, 4.8, 5.8 и 6.8, без термической обработки;
• углеродистые стали 30, 35, 45 — для классов прочности 5.6 и 6.6, с термической обработкой;
• углеродистую сталь 35 — для классов прочности 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9, с обязательной термической обработкой.

Основной технологией массового и крупносерийного выпуска метизов остается горячая или холодная штамповка на высадочных автоматах, с последующей нарезкой или накаткой резьбы. Для мелкой серии можно заказать нестандартный крепеж с изготовлением на универсальном металлорежущем оборудовании.

В метизном производстве часто обращаются к отдельной категории углеродистых марок — сталям повышенной обрабатываемости (с буквой «А» в начале обозначения). Их уникальная особенность и отличие от остальных состоит в том, что структура и химический состав — максимально однородны по всему объему проката. В процессе обработки на станках-автоматах не должно быть угрозы, что инструмент испытает перепад нагрузки из-за «пятнистой» твердости или ему встретится микродефект в виде неметаллического включения в теле металла.

Классификация по степени раскисления

По степени раскисления углеродистые сплавы делятся на такие типы:

• кипящие;
• спокойные;
• полуспокойные.

Кипящие сплавы обыкновенного качества сразу после внесения раскислителя выпускаются из печи. В отдельных случаях раскисление производится в ковше. В результате в под коркой образуется много воздушных пузырьков.

У инструментальных сплавов реакция раскисления начинается до разлива и полностью заканчивается при заливке в ковш.

Кипящие стали используют для производства слитков, слябов и блюмсов — проката крупного сечения. В дальнейшем происходит переплавка их на высококачественный металл в электрических печах или переделка на прокат меньшего диаметра — круг, квадрат. Воздух в процессе переработки выходит, зерно вытягивается вдоль, увеличивая механические свойства стали. Полуспокойные стали отличаются повышенной ковкостью.

Технологии производства

Изготовление углеродистой стали занимается металлургический вид промышленности. Материал получают путем переработки заготовок из чугуна с сокращением содержания серы и фосфора, а также снижение углерода до оптимальной концентрации. Существуют три вида технологий производства сплава:

1. В печах конвертерного типа.

В основе методики был метод Бессемера – продувка жидкого чугуна при помощи воздушных масс. В ходе процедуры углерод окисляется и удаляется из сплава, после этого слитки чугуна становились сталью. В результате в металле оставались фосфор и сера, повышалась прочность, но при этом сталь становилась более пластичной и быстрее старела. Метод перестал использоваться ввиду низкого качества получаемого материала.

Вместо этого, углеродистую сталь стали изготавливать в печах конвертерного типа. Вместо воздуха стали использовать кислород. В результате получается материал, близкий по качеству к сплавам из мартеновских установок.

2. В мартеновских установках.

Применение мартеновских печей подходит для различных марок углеродистой стали. В основе метода лежит выжигание углерода из сплавов чугуна при помощи воздушных масс и за счет добавления руд железа и ржавых металлических изделий. Изготовление происходит внутри установок, к которым подключается прогретый воздух и горючий газ.

В плавильную камеру загружают все необходимое сырье для изготовления углеродистой стали, которое затем нагревается до температуры плавления. Такие камеры могут вмещать до 500 тонн и выдерживать температуры до 1700 градусов. В них происходит выжигание углерода при помощи газовой среды, шлака и расплавленного металла. В результате получается сплав, который вытекает через заднюю стенку установки.

3. В печах, работающих от электричества.

Электродуговые или индукционные печи позволяют изготовить качественную углеродистую сталь практически без примесей, более чистую и жаростойкую. Процесс производства происходит при помощи вакуума, благодаря чему получаются более качественные заготовки.

Данный метод является более дорогим, поэтому используется только при особой необходимости.

Методы производства и различия по качеству

По методам производства сплавы делятся на три типа:

• мартеновские;
• конвекторные;
• в электропечах.

Способ производства и разделение по качеству указывается в сертификате на металл и может обозначаться буквенно в конце маркировки. Например, ВД — электродуговой переплав, Ш — шлаковый переплав.

Мартеновские с наиболее низким качеством идет на переделку и прокат группы А. В электропечах производится сплав высокого и очень высокого качества.

Особенности маркировки

Маркировка углеродистых сталей имеет буквенно-цифровое значение и на торце проката обозначается определенным цветом. Ст в начале означает нормальное качество. Затем идет цифра, указывающая количество углерода и способ раскисления.

Для материала с повышенным качеством обозначение начинается со слова Сталь, затем углерод в сотых долях и буквенное обозначение легирующих элементов.

Высококачественные обозначаются в конце буквой А. Специальные, высокоуглеродистые, инструментальные — У, быстрорежущие — Р.

Маркированная углеродистая сталь

Конструкционные стали и сплавы для низких температур

4. СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Наряду с низколегированными сталями при низких темпе­ратурах для несварных деталей широко используют среднелегированные хромоникелевые конструкционные стали с добавками вольфрама, молибдена, ванадия. К ним отно­сятся стали типа 30ХН2МФА, 38ХНЗМА, 38ХНЗМФА, 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА), 12ХНЗМА, содержащие 0,1— 0,4 % С и от 1,5 до 4 % №. Для повышения вязкости при низких температурах стали подвергают термообработке, состоящей из закалки и высокого отпуска. Структура ста­лей после операции улучшения представляет собой диспер­сный сорбит. Сталь 12ХНЗА применяют для цементуемых и цианируемых деталей, где требуется повышенная проч­ность, поверхностная твердость в сочетании с вязкой серд­цевиной. Из нее изготовляют также корпуса клапанов, ци­линдры поршневых детандеров, детали арматуры и насо­сов. Сталь 18Х2Н4МА применяют для изготовления ответственных высоконагруженных деталей, работающих при статических, циклических и динамических нагрузках с температурой эксплуатации 200—670 К (шпилек, подвесок, осей, валов турбодетандеров и др.). В табл. 13 приведены механические свойства сталей этого класса Оценка статической прочности стали 30ХН2МФА, про­веденная на прутковом металле диаметром 20—60 мм, по­казывает (табл. 13), что после закалки с 860 °С в масло и отпуска при 680 °С в течение 1,5 ч с охлаждением на возду­хе сталь сохраняет высокую пластичность до 77 К.

В стали 38ХНЗМА по сравнению со сталью 30ХН2МФА при большем содержании никеля заметно выше содержа­ние углерода, что и приводит к менее благоприятному вли­янию надреза на пластичность. При прочих рав­ных условиях температурный уровень применения стали 38ХНЗМА должен быть выше, чем для сталей 30ХН2МФА и 18Х2Н4ВА. Наибольшую пластичность при низких тем­пературах имеет сталь 18Х2Н4ВА. Следует отметить, что низкотемпературный отпуск, обеспечивая высокий уровень твердости (НКС>40), вызывает необходимость примене­ния инструмента с повышенными режущими свойствами, поэтому на практике такой режим применяется относи­тельно редко. Отпуск при 560 °С, обеспечивая высокие зна­чения ударной вязкости при температурах 293 К, дает ча­сто большой разброс по ударной вязкости при 77 К. В свя­зи с этим предпочтителен отпуск при 620—650 °С в случае эксплуатации детали при температурах до 77 К.

Данные по гладким образцам, с одним кольцевым над­резом, с нарезанной резьбой по всей длине, а также по имитаторам шпилек (рис. 54) приведены в табл. 15 (в знаменателе приведены результаты испытаний образцов с перекосом 5°).

Для сравнения удлинения резьбовых образцов и шпи­лек при разрушении определяли по диаграмме испыта­тельной машины их полное удлинение Д, имея в виду, что общая рабочая длина образцов, включая высоту ввинчива­ния, во всех случаях была равна 50 мм. Профиль надреза и резьбы проверяли до и после испытаний.

Анализ данных, приведенных в табл. 15, показывает, что сталь 38ХНЗМА имеет малую пластичность при дефор­мации в жидком азоте в случае наличия резьбы (резьбовой образец и шпилька). При этом четко просматривается от­рицательное влияние перекоса. В случае перехода к изго­товлению образца шпильки с центральной проточкой, когда действие концентраторов сведено к минимуму, металл име­ет удовлетворительную пластичность. При наличии такой проточки разрушающая нагрузка снизилась на 20 % при росте относительного сужения вдвое при 293 К и в шесть раз при 77 К.

Сталь 38ХНЗМА в термически обработанном состоянии может быть рекомендована к применению при температу­рах до 170 К. Сталь 18Х2Н4ВА даже при неблагоприятной форме крепежа обладает при 77 К удовлетворительной пластичностью и мало чувствительна к перекосу. Однако для ответственных шпилек целесообразно применять про­точку центральной зоны до диаметра, меньшего на 0,3— 0,5 мм внутреннего диаметра резьбы. В случае примене­ния прутка для деталей диаметром более 60 мм минималь­ная температура применения стали должна быть повыше­на. Анализ поведения стали 18Х2Н4ВА в случае ее эксплу­атации в жидком азоте не выявил отрицательного влияния длительного нагружения (в опытах от 250 до 1500 ч) на механические свойства; остаточная деформация не превы­шала 0,02 %. Оценка релаксационной стойкости стали 18Х2Н4ВА при выдержке в жидком азоте под напряжени­ем 450 и 320 МПа продолжительностью до 450 ч показала, что в первые часы напряжение падает до 420 и 300 МПа соответственно, оставаясь далее неизменными в течение эксперимента.

5. МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ

Отличительной особенностью мартенситно-стареющих ста­лей является получение при закалке практически безугле­родистого мартенсита и его последующее старение при температуре около 500 °С, сопровождающееся выделением интерметаллидных фаз, что обеспечивает сочетание высо­ких прочностных свойств с достаточной пластичностью и вязкостью. После термообработки их временное сопротив­ление при комнатной температуре составляет не более 1800 МПа, предел текучести 1500 МПа при относительном сужении 40 % и ударной вязкости на образцах первого ти­па 0,6 МДж/м2. Опасность хрупких разрушений мартен­ситно-стареющих сталей в отличие от других высокопроч­ных конструкционных сталей уменьшается благодаря вы­сокому содержанию никеля и низкому углерода (не более 0,03%). Высокое содержание легирующих элементов и низкая концентрация углерода предотвращают образова­ние немартенситных продуктов превращения аустенита не­зависимо от скорости охлаждения при закалке. В стали

03Н18К9М5Т мартенситное превращение начинается при комнатной температуре. Безуглеродистый мартенсит за­калки имеет невысокую прочность, но обладает очень вы­сокой пластичностью. В закаленном состоянии сталь хоро­шо обрабатывается давлением и резанием.

Снижение температуры испытания от комнатной до 77 К приводит к увеличению предела текучести стали 03Н18К9М5Т от 1750 до 2250 МПа при удлинении 6 %; вязкость разрушения при этом уменьшается более чем в 2 раза [98]. Сохранение высокой вязкости стали при низ­ких температурах достигается благодаря наличию в струк­туре после закалки достаточных количеств остаточного стабильного аустенита. Введение хрома в мартенситно-стареющую сталь снижает склонность к общей коррозии и коррозии под напряжением.

Одной из первых отечественных мартенситно-стареющих нержавеющих сталей на Fe—Сr—Ni основе являет­ся сталь 08Х15Н5Д2Т (табл. 16), разработанная Я. М. По-таком и Ю. Ф. Оржеховским [99]. После закалки сталь имеет структуру мартенсита и около 10 % остаточного аус­тенита. Ее временное сопротивление после закалки 870 °С, обработки холодом и старения при 450 °С составляет более 1300 МПа. Старение стали в нагартованном состоянии по­вышает временное сопротивление до 1400 МПа. При повы­шении температуры старения до 600—640 °С, соответству­ющей обратному а-у-превращению, происходит образова­ние стабильного аустенита. Его стабилизация связана с обогащением аустенита никелем и понижением в результа­те этого температуры мартенситного превращения. Однако старение при 600—640 °С существенно снижает прочность стали.

Сталь 03Х11Н10М2Т после упрочнения имеет высокие значения прочности (0В более 1500 МПа) в сочетании с до­статочной пластичностью. Однако при такой прочности она не пригодна для использования при криогенных темпера­турах. В закаленном состоянии временное сопротивление стали составляет около 1000 МПа, но сталь сохраняет вы­сокие значения пластичности и вязкости, малую чувстви­тельность к трещине при температурах до 20 К. Сталь 03Х11Н8М2Ф рекомендуется для сварных и пая­ных конструкций без термической обработки после сварки, работающих в диапазоне температур 673—77 К. После за­калки сталь имеет мартенситную структуру и остаточный аустенит в количестве 15—17

Сварные соединения обладают повышенными вязкими свойствами при температурах 293 и 77 К: величина КСУ составляет соответственно 1,0 и 0,64 МДж/м2. Применение аустенитной проволоки Св-03Х20Н18Г10АМ4 повышает вязкие свойства металла шва, особенно при 20 К. После термической обработки, имитирующей режим пайки: 1020 °С в течение 20 мин, величина КСУ сварного шва при 20 К составляет 0,44 МДж/м2. Сталь обеспечивает высокую герметичность узлов, стабильность их линейных размеров, удовлетворительную технологичность при сварке плавле­нием, обладает высоким сопротивлением хрупкому разру­шению при криогенных температурах.

Высокопрочные нержавеющие мартенситно-стареющие хромоникелевые стали, дополнительно легированные ко­бальтом, обладают особым сочетанием свойств, которое не достигается на сталях других классов. Влияние кобальта на механические свойства мартенситно-стареющих сталей обусловлено его участием в процессе старения за счет об­разования сложных многокомпонентных соединений Со— Ni—Мо , частицы которых когерентно связаны с кри­сталлической решеткой матрицы [102]. Кобальт, как и ни­кель, уменьшает растворимость молибдена и вольфрама в а-железе и поэтому способствует упрочнению при старении. Он задерживает процесс разупрочнения, уменьшая ско­рость коагуляции высокодисперсных фаз, и повышает устойчивость структуры сталей к перестариванию [103]. Содержание кобальта в высокопрочных сталях колеблется в довольно широких пределах. Для каждой конкретной си­стемы легирования целесообразно определение рациональ­ного содержания кобальта.

Как расшифровать маркировку сталей

Марку углеродистой стали и группу ее качества можно определить по типу маркировки. Каждая цифра и буква имеет свое значение и показывает требования к качеству, степень раскисления, наличие легирующих элементов.

Например, для сплава обычного качества:

• Ст 2 кп — нормального качества с содержанием углерода 0,09–0,15%, кипящая, марганца 0,25 — 0,50%, кремния менее 0,05%;
• Ст3Г пс — содержание углерода в пределах 0,14–0,22%, полуспокойная, марганца в пределах 0,80–1,1%, кремния не более 0,15%.

Углеродистые стали повышенного качества маркируются цифрами (содержание углерода в сотых долях) и буквами (легирующий элемент). Например:

• 45 — 0,45% углерод;
• 40ХН — углерода 0,4%, хрома и никеля менее 2%.

Расшифровка высокоуглеродистых марок имеет букву, указывающую тип материала, его применение и цифру — процент углерода в десятых долях. Инструментальные сплавы имеют обозначение У. Например:

• У8 — инструментальная, 0,8% углерода;
• У12 — содержание углерода 1,2%.

Химический состав более точно можно определить по таблице в справочнике металлурга.

Прокат на торце маркируется цветной полосой:

• красный — Ст3;
• желтый — Ст2;
• зеленый — СТ5;
• синий — Ст6.

Для каждого типа стали имеется своя маркировка. Легированные могут содержать до 3 цветных полос.

Классификация и марки

Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные имена — в честь их изобретателей или каких-то особенных свойств. Остальные довольствуются условным обозначением — т.н. маркой, внутри которой зашифрована ключевая информация. Марку можно сравнить с разновидностью, чей состав и структура жестко определены и неизменны.

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя два определяющих параметра: химсостав материала или его функциональное применение. Причем марки, соседствующие в одной группе по первому делению, с большой долей вероятности станут коллегами и при оценке рабочих свойств.

По химическому составу

Ключевым параметром, на который обращают внимание при знакомстве с любой маркой стали, становится процент содержания углерода. Различают три вида:

Низкоуглеродистые стали предназначены преимущественно для изготовления сварных изделий — за счет малой доли углерода они очень податливы к любым процессам сварки, не склонны к образованию флокенов и трещин, легко поддаются механическому резанию и изгибу. В целом, они вязкие и с низкой прочностью.

Термическое упрочнение (закалка, улучшение) не дают ощутимого эффекта по росту прочности или твердости. Зато собственное низкое содержание углерода позволяет применить к материалу особый вид химико-термической обработки — цементацию. Поверхностные слои насыщаются углеродом из внешнего источника, после чего реакция на закалку становится уже совершенно иной. Твердость поверхности зашкаливает, а сердцевина по-прежнему остается мягкой и может работать как гаситель напряжений.

Среднеуглеродистые стали — наиболее ходовые и популярные благодаря своей «серединности» и универсальности. Они лишены недостатков остальных граничных групп и обладают собственными достоинствами.

В частности, такие марки стабильно и уверенно реагируют на закалку, набирая нужную прочность и твердость без дополнительных ухищрений. Но сварку следует вести с осторожностью — увеличенная доза углерода может приводить к развитию трещин при кристаллизации шва.

Их используют для производства деталей машин и механизмов, которые постоянно испытывают рабочие нагрузки. Это разнообразные шестерни, рычаги, колеса, шкивы ременных передач, валы и оси. Углеродистые стали всегда дешевле любых легированных, поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительны, если конечное изделие не испытывает негативного воздействия коррозии, нагрева или охлаждения. Тяжелая работа в обычных условиях — это пример применения таких сплавов.

Высокоуглеродистые стали вообще не рекомендуется варить: они очень склонны к образованию трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне шва. За счет высокой доли углерода на закалку реагируют лучше всех остальных. Результатом становится очень высокая твердость и прочность, вплоть до возникновения пружинящих свойств.

Такие марки закладывают для изготовления специальных деталей машин, пружин различной конфигурации (плоские, витые, тарельчатые), режущего и слесарного инструмента.

По области применения

С учетом химического состава, «круг обязанностей» каждой марки уже предопределен, как и сфера, где ее можно использовать максимально эффективно. Поэтому все углеродистые стали разделили на три категории по области применения:

Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей машин и металлоконструкций. Их активно используют во всех сферах промышленности — начиная от металлообработки и заканчивая возведением атомных электростанций.

Среди них выделяют три основных группы:

• общего назначения — марки со стандартной степенью очистки от постоянных примесей. Нужно преимущественно для сварных строительных конструкций, корпусных деталей и ненагруженных элементов;
• качественные — повышенной степени очистки и с улучшенными механическими свойствами. Применяются для производства деталей машин и крепежа;
• повышенной обрабатываемости — с максимально стабильной структурой и постоянством физико-механических свойств по всему объему. Такой материал идет в работу на автоматические линии.

Инструментальные углеродистые стали могут похвастать куда большим содержанием углерода, чем все остальные «родственники» — от 0,66 до 1,35%. Такие сплавы используют для производства:

• режущего инструмента — для работ по дереву, пластику, мягким цветным сплавам и незакаленной стали;
• мерительного инструмента;
• слесарного инструмента;
• оснастки для холодной штамповки;
• вспомогательной станочной оснастки.

Главное преимущество инструментальных марок — очень сильная реакция на закалку, увеличенная износостойкость, твердость и прочность.

Углеродистая сталь для строительных конструкций идет на массовый выпуск фасонного проката: швеллера, тавровой и двутавровой балки, уголков. В сплавах этого типа заложено мало углерода и ощутимое количество примесей кремния и марганца (до 0,5..0,8%), чтобы обеспечить необходимую вязкость, устойчивость и хорошее восприятие сварочных процессов.

Очень интересна марка ШХ4, случайно попавшая в группу подшипниковых как единственная нелегированная сталь. Ее используют для производства колец железнодорожных подшипников. Содержание углерода там изрядное — в пределах 0,95 до 1,05% — и присутствует щепотка хрома — 0,35..0,5%.

Марку К63 (или просто 63) применяют исключительно для горячей прокатки специального сортамента — рельс крановых путей. Этот сплав обеспечивает необходимый баланс между прочностью, износостойкостью и стрессоустойчивостью. Материал постоянно работает с высокими нагрузками и фрикционным износом от катания колес.

Какие фирмы занимаются производством углеродистой стали

Крупнейшим производителем углеродистой стали является металлургический комбинат полного цикла Мечел. Он объединяет несколько крупных заводов, начиная от производства кокса и заканчивая различным прокатом. Кроме этого прокат производят металлургические комбинаты:

• «Челябинский»;
• «Украинская кузница» — Челябинская область;
• «Ижсталь» — Удмуртия;
• Белорецкий меткомбинат — Башкортостан.

Металлургическая промышленность по производству черного металла располагается поближе к месторождениям железной руды и угля. Для заводов цветного литья важнее источники электроэнергии.