Углеродистая сталь в металлообработке

Промышленное материаловедение не обходится без стали, которая дает возможность осуществить различные технологические операции. Наибольшее внимание уделяется углеродистой стали. Следует подробнее рассмотреть ее разновидности, состав и свойства, а также области применения.

Еще одно название углеродистой стали – «инструментальная». В ее составе содержится от 0,04 % до 2,4 % углерода и дополнительные примеси: марганец, кремний, фосфор, сера. Одно из основных условий – это отсутствие легирующих компонентов.

Материал широко применяется в металлургии. Его термически обрабатывают для того, чтобы увеличить твердость и повысить устойчивость к разным нагрузкам. Углеродистую сталь нередко применяют для производства различных инструментов.

Состав

По объему углерода сталь делят на легированную и углеродистую. Элемент С оказывает влияние на прочность, пластичность и вязкость материала. Чаще всего металл на 99,5 % состоит из Fe, а в незначительных долях в нем присутствуют примеси – до 1 % марганца и кремния, при этом фосфора всего до 0,06 %, а серы – до 0,05 %. Когда их объем выше, сталь считается легированной. Полностью устранить перечисленные примеси не получится, их объем оказывает влияние на свойства продукта. Помимо вышеуказанных веществ, в стали могут быть водород, кислород и азот.

С помощью термической обработки удается влиять на различные качества металла, в частности, на жесткость и упругость. Этот момент обязательно учитывают во время проектировки элементов в сфере машиностроения.

Когда важно, чтобы детали могли выдерживать значительное воздействие, обязательно выполняется термическая обработка, с помощью которой удается увеличить показатель жесткости.

Классификация

Углеродистая сталь бывает разных видов. Ее принято классифицировать по главным параметрам – составу и функциональному назначению. Рассмотрим каждый из этих признаков подробнее.

Виды углеродистой стали по составу

Процентное содержание углерода – это важный параметр, который определяет марку стали. По этому показателю можно выделить следующие типы:

1. Низкоуглеродистый (объем С в пределах 0,2–0,25 %)

Его применяют для создания сварных элементов. Так как в нем небольшой объем углерода, материал отличается устойчивостью к появлению трещин и к физическому воздействию. Он поддается резке, сварке, а также изгибам. Данный сплав считают вязким и непрочным, но на эти показатели можно повлиять с помощью термической обработки. При этом за счет небольшого содержания С его можно подвергать цементации. При данном варианте обработке слой удается обогатить углеродом из иного источника, и подобная закалка позволяет добиться выраженных результатов. Поверхность материала будет более твердой, при этом остальная часть остается прежней и используется как гаситель напряжения.

2. Среднеуглеродистый (объем С в диапазоне 0,26–0,6 %)

Этот материал считается универсальным, поэтому он пользуется наибольшим спросом. В нем собраны наилучшие качества двух остальных видов, при этом отсутствуют их слабые стороны. Благодаря закалке сталь удается сделать более жесткой и твердой, но важно учитывать еще один момент. Из-за значительного объема С при кристаллизации шва материал может потрескаться. По этой причине важно с осторожностью выполнять сварку. Из этого материала изготавливают детали для автомобилей, различные механизмы, например рычаги, валы, колеса, шестерни и т. д. Подобные изделия отличаются более низкой стоимостью, поэтому они лучше легированных аналогов. Важно, чтобы изделия после производства отличались устойчивостью к появлению ржавчины, высоким и низким температурам. Подобные детали можно использовать для тяжелых работ.

3. Высокоуглеродистый (объем С в пределах 0,6–1,35 %)

Данный вид нельзя подвергать сварке, потому как у шва будет наблюдаться напряжение, он может потрескаться. Из-за высокого процента углерода данный материал лучше остальных поддается закалке. Он будет значительно прочнее, и при этом усилятся его пружинящие свойства. Высокоуглеродистую сталь часто используют для создания различных пружин, слесарных инструментов, некоторых деталей для автомобилей.

Если кроме элемента C в составе стали присутствуют химические компоненты – металлы и неметаллы, – она называется легированной. Примеси вводят при проведении плавки, что позволяет получить сталь с требуемыми физико-химическими и механическими свойствами. Ее эксплуатационные характеристики за счет этого становятся выше, такая сталь может выдерживать повышенные температуры, механические и химические воздействия. Элементы, вводимые в сплав, называют легирующими веществами. К ним относятся молибден, хром, титан, кадмий и др.

Виды стали по назначению

Углеродистую сталь принято делить на конструкционную, инструментальную и специальную.

Конструкционная

Ее используют для изготовления элементов транспортных средств, а также сварных конструкций. Применяют в сфере металлообработки, при возведении АЭС.

Конструкционная сталь делится на следующие виды:

1. Общего назначения – ее стандартным методом отделяют от примесей. Она подходит для создания деталей, которые не должны выдерживать значительные нагрузки, такие как сварные конструкции, а также корпусные элементы.
2. Качественная. У нее наилучшие механические свойства, а также высокая степень очистки. Ее применяют для деталей транспортных средств, а также для крепежа.
3. Повышенной обработки. Данный вид отличается качественной структурой, у него стабильные свойства. Подходит для автоматических линий.

Инструментальная

У данного вида выше показатель содержания С – 0,64–1,35 %. Она используется для изготовления оснастки, а также слесарного и измерительного инструмента.

Из преимуществ данного вида можно отметить то, что такая сталь прекрасно закаливается. Материал будет более твердым и прочным, отличается высокой устойчивостью к износу. В инструментальной стали есть различные примеси, например, Si и Ms. По этой причине она вязкая, а также легко поддается разным методам сварки. Ее можно применять для изготовления рельсов, уголков, колец ж/д подшипников и др.

Специальная

Данная сталь имеет следующие преимущества: повышенная стойкость к формированию ржавчины, высокое электрическое сопротивление, окалиностойкость. Сюда принято относить металлы со значительным объемом Cr, Mn и Ni.

Специальную сталь применяют в различных областях, это зависит от устойчивости к физическим и химическим реакциям. Этот сплав применяют для судостроения, а также в авиационной промышленности. Он отличается устойчивостью к щелочам и значительным нагрузкам. Специальная сталь не является хрупким материалом.

Классификация по методу производства

Для изготовления материала применяют разнообразные методы. Чтобы получить качественные виды стали, применяют конвекторы, мартеновские печи, а также электроплавильные печи. В ГОСТе прописаны строгие требования, непосредственно относящиеся к хим. составу. При этом удается в итоге получить сталь с чистой структурой.

Сплав обычного качества получают благодаря мартеновской печи. Затем создают слитки определенной величины с использованием кислородного конвектора. В данном сплаве больше различных примесей, но и получаемая продукция, и производственный процесс обходятся дешевле. Проводят прокатку слитков, чтобы получить фасонный и сортовой прокат, широкие полосы и др.

Марки

Можно выделить следующие категории углеродистой стали:

• А – сплавы, которые отвечают определенным механическим свойствам;
• Б – строгое соответствие химическому составу;
• В – сталь, которая соответствует всем вышеуказанным свойствам.

Саму сталь обозначают «Ст», после чего указывают цифру, которая говорит о содержании углерода. Далее указывают категорию в виде буквы. Инструментальный вид обозначают У, а быстрорежущий – Р.

Также обозначают степень раскисления:

• Кп – кипящая. Материал отличается хрупкостью, он склонен к появлению ржавчины. Структура металла неоднородная, требуется удаление токсичных примесей. Поскольку в составе практически отсутствуют реагенты, материал используется для изготовления деталей, соприкасающихся со взрывоопасными веществами.
• Сп – спокойная. В материале мало газов и неметаллов, он имеет однородную структуру. Из этого материала изготавливают дорогостоящие изделия, так как процесс производства тяжелый.
• Пс – полуспокойная. Промежуточный вариант, позволяющий удешевить производство. Из такого материала производят гайки и болты.

Цветовая маркировка

Для этой цели применяют краску, которая не смывается. По соглашению сторон материал могут не маркировать краской.

Качественная сталь имеет особую маркировку:

Свойства

Каждая марка углеродистой стали имеет свои отличительные черты, что важно учитывать при выборе определенного варианта.

Прочностные характеристики

Устойчивость стали к различного рода нагрузкам определяется такими показателями, как:

• предел текучести;
• удлинение при разрыве;
• предел прочности;
• твердость;
• ударная вязкость.

Ориентируясь на них, можно понять, как материал покажет себя при использовании. С повышением содержания углерода повышаются его механические свойства, но снижается удлинение при разрыве. Скорректировать эксплуатационные характеристики возможно путем термической обработки стали.

Устойчивость к коррозии

Именно ржавчина и окислительные процессы – слабые места углеродистой стали. Материал плохо переносит контакт с воздухом, насыщенным паром и водой. Чтобы увеличить коррозионную стойкость стали, используют вспомогательные компоненты – хром, медь, цинк, никель и т. д.

Также увеличить сопротивление коррозии удается с помощью химического и оксидирования и фосфатирования. Редко используют защитные покрытия – хромирование, цинкование и т. д.

Износостойкость

Это важное качество, потому как готовые изделия будут контактировать с иными деталями механизмов, агрессивной средой (жидкостями или газами). Для повышения показателя износостойкости увеличивают твердость верхнего слоя стали, а также применяют химическую и термическую обработку, проводят шлифовку поверхности.

Устойчивость к температурным скачкам

Углеродистая сталь выдерживает значительные температурные колебания от –100 до +350 градусов. При других значения металл будет менее прочным.

Технологичность

Углеродистая сталь считается высокотехнологичной, то есть поддающейся различным видам обработки для достижения разных производственных целей.

Марки данного сплава можно подвергать:

• термической обработке (закалке, цементации, отжигу и т. д.);
• сварке;
• деформированию (вытягиванию, ковке, штамповке, вальцовке, гибке и др.);
• механической обработке (резке, сверлению, фрезеровке).

Области применения

Углеродистые стали отличаются уникальными свойствами, поэтому их применяют в разнообразных сферах народного хозяйства. При этом перед производством конкретной детали уточняют, при каких условиях ее будут эксплуатировать.

Из низкоуглеродистой марки создают втулки, планки, крышки, маховики. Также можно изготавливать корпусные элементы и каркасные конструкции. Невысокая прочность компенсируется устойчивостью к сварке.

Среднеуглеродистый металл применяют для элементов, которые эксплуатируются в условиях интенсивной нагрузки. Речь идет о рычагах, шестерне, валах и т. д. Техпроцесс предполагает создание заготовок, термическую и механическую обработку, шлифовку.

Высокоуглеродистую сталь применяют редко. Ее сложно обрабатывать, а в случае появления дефекта его тяжело устранить. Из данного материала создают детали, для которых важно быть упругими и твердыми, к примеру, цанги и пружины.

Из инструментальной стали производят отвертки, напильники, кусачки, ножовки и многое другое. Она отличается чувствительностью к нагреву, поэтому изделия не удается применять при температурном показателе более +300 градусов. Материал также применяют для крепежей (винтов, болтов). Его могут подвергать термообработке, используют методы штамповки.

Зная характеристики марок углеродистых сталей, можно понять, в каких областях их можно применять и какая обработка для этого потребуется. Для получения основных данных о материале достаточно понимать условные обозначения маркировки.