Марку К63 (или просто 63) используют исключительно для горячей прокатки специальных сортов стали, предназначенных для изготовления рельсов крановых путей. Этот сплав обеспечивает необходимый баланс между прочностью, износостойкостью и способностью противостоять стрессам. Материал постоянно подвергается высоким нагрузкам и фрикционному износу, возникающему при движении колес по рельсам.
Углеродистые конструкционные стали: виды, свойства, марки
Углеродистые конструкционные стали находят широкое применение в различных отраслях промышленности и не только. В этой статье мы подробно рассмотрим классификацию и различные типы углеродистых сталей, их характеристики и свойства.
В зависимости от химического состава все стали делятся на два класса: углеродистые и легированные. Оба этих типа содержат железо и углерод, а также некоторые постоянные примеси, характерные для таких железоуглеродистых сплавов. Легированные стали, помимо вышеупомянутых элементов, содержат добавочные элементы, такие как хром, марганец, никель, кремний, молибден и другие.
| Стали по химическому составу: | |
| Углеродистые стали | Легированные стали |
| Железо | Железо |
| Углерод | Углерод |
| Постоянные примеси | Постоянные примеси |
| Легирующие элементы | |
По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и специальные. Специальные стали обладают уникальными свойствами, в то время как инструментальные стали предназначены для производства различных инструментов. Конструкционные стали, в свою очередь, используются для создания различных строительных конструкций, элементов строительных объектов и деталей машин. Это изделия, от которых требуется высокая прочность, длительный срок службы, а также возможность сварки. Для достижения таких свойств и характеристик стали подбираются определённые химические составляющие, они подвергаются различным методам термообработки и применяются другие технологии, которые способствуют улучшению качества металла.
| Стали по назначению: | |||
| Конструкционные | Инструментальные | ||
| Общего назначения | Специального назначения | ||
| Стали для изготовления конструкций | Стали со специальными свойствами (жаропрочные, кислотостойкие, коррозионностойкие и др.) | Стали для производства инструмента | |
Сферы применения конструкционных сталей
Конструкционные стали применяются в тех отраслях, где необходимы прочность и устойчивость к значительным нагрузкам. Например, в машиностроении, где используются для создания компонентов промышленного оборудования, специальной техники, железнодорожного транспорта и прочего. Они применяются для изготовления крепежных элементов, различных деталей и механизмов, труб продукции, а также деталей поршневых двигателей, газовых и паровых турбин, карбюраторных валов и многого другого. Машиностроительные стали могут классифицироваться как шарикоподшипниковые, автоматные, пружинные, криогенные или жаропрочные. Закаленная конструкционная сталь используется для производства пружин, рессор и сильфонов. Высокопрочные сплавы применяются для изготовления подшипников. Примеры использования конструкционных углеродистых сталей иллюстрируются следующей таблицей:
| Конструкционные углеродистые стали | |
| Машиностроительные | Строительные |
| Оси, валики, втулки, крюки кранов, упоры, шестерни, гайки, болты, трубный прокат, листовой металл, пружины, рессоры, зубчатые колеса, фрикционные диски, поршни, клапаны, рычаги, валы, шатуны, маховики, шпиндели | Арматура, балки, стержни, профнастил, трубы, трубопроводы, болты, гайки, крюки, соединительные муфты, фланцы, тройники, серьги, траверсы, звездочки, шпиндели, крепежные детали, сварные строительные конструкции |
Конструкционные стали также используются для строительства мостов, нефтепроводов и в других отраслях промышленности, включая автомобилестроение, создание конструкций, которые подвергаются цементированию, для производства тонколистовой или кровельной стали, кронштейнов, осей, винтов, болтов, шайб, гаек, гвоздей, рычагов, шестерен, труб, емкостей для цементация, изделий цианированного класса и др. Конструкционные стали с высокой износостойкостью находят применение в производстве насосного и дробильного оборудования.
Предлагаем лучшие цены на нержавеющий металлопрокат:
Что такое углеродистая сталь?
Углеродистая сталь, по своей сути, является нелегированным сплавом, содержащим до 2,14% углерода (именно этот элемент и формирует название данного металла), а также дополнительные примеси марганца, кремния, серы и фосфора. В зависимости от содержания углерода в стали, её твердость существенно варьируется. Даже незначительные изменения в количестве углерода могут значительно повлиять на свойства сплава.
Углеродистая сталь делится на конструкционную и инструментальную. Конструкционная сталь характеризуется низкой или средней твердостью, тогда как инструментальная сталь характеризуется высокой твердостью. Эти различия в свойствах и предназначении определили различные сферы применения аналогов.
Химический состав углеродистой стали
Чем больше углерода в составе, тем выше прочность металла к нагрузкам и износу. Однако следует помнить, что высокое содержание углерода негативно сказывается на хрупкости. Процент содержания углерода может варьироваться, что дает основание выделять три категории сплавов:
- Низкоуглеродистая сталь. Содержит не более 0,25% углерода. Основные характеристики этого типа: высокая пластичность, способность к горячей и холодной обработке.
- Среднеуглеродистая сталь. Концентрация углерода не превышает 0,6%. Этот аналог демонстрирует высокие показатели прочности, текучести и пластичности.
- Высокоуглеродистая сталь. Процент содержания углерода составляет до 1,4%. Такие сплавы используют в производстве высокопрочных инструментов и измерительных приборов.
Процесс раскисления имеет ключевое значение, так как способствует восстановлению окисей железа и связывает растворённый кислород, что снижает его негативное влияние. В зависимости от степени раскисления можно выделять следующие виды углеродистой стали:
- Кипящая сталь. Это разновидности, которые не были полностью раскислены. В процессе разлива происходит интенсивное выделение газа, что приводит к «кипению» сплава. Кипящая сталь считается неоднородной и загрязнённой газами. Распределение элементов по брусу осуществляется неравномерно, что может приводить к различиям в свойствах материала даже в пределах одного слитка. Часть таких слитков подвергается удалению, так как там накапливается максимальное количество ненужных примесей. В отдельных случаях может потребоваться удаление до 5% от общей массы из-за угрозы избыточного накопления фосфора или серы.
- Спокойная сталь. Этот состав получается в результате полного раскисления. Здесь минимальное количество шлака и неметаллических добавок. Содержание кремния составляет более 0,12%. Такие слитки характеризуются однородной, плотной структурой, что делает их весьма стойкими к ударным нагрузкам и прекрасно подходит для сварки.
- Полуспокойные аналоги. Они занимают промежуточное положение по физико-химическим свойствам. Полураскисленная сталь для кристаллизации не требует кипения. Газ выделяется в достаточном количестве, однако количество пузырьков заметно меньше. Качество таких аналогов приближается к качеству спокойных сталей, и их вполне можно использовать для изготовления обычных изделий металлопроката в условиях, где не выдвигаются строгие требования.
Эта классификация позволяет создать более систематизированное представление о сплаве и разобраться в том, что значит стальной сплав разной степени раскисления.
Классификация
Углеродистая сталь бывает различных видов. Её классифицируют в зависимости от основных параметров – химсостава и функционального назначения. Рассмотрим каждый из этих признаков более подробно.
Процентное содержание углерода – это важнейший параметр, который олицетворяет марку стали. Согласно этому показателю можно выделить следующие типы:
Данный сплав подходит для создания сварных элементов. Имея небольшой объем углерода, он отличается высокой устойчивостью к образованию трещин и физическому воздействию. Материал можно подвергать процессам резки, сварки и изгибания. Такие сплавы, как правило, считаются вязкими и непрочными, однако их характеристики можно улучшить с помощью термической обработки. Например, за счёт малой доли углерода такой сплав может подвергаться цементации. В этом процессе удается обогатить поверхность углеродом из внешнего источника, в результате чего механические характеристики стали значительно улучшаются. Поверхность становится более твердой, в то время как внутренняя часть остаётся мягкой и успешно выполняет функцию амортизатора напряжения.
- Среднеуглеродистый (С в диапазоне 0,26–0,6 %)
Этот тип материала считается универсальным, поэтому он пользуется наибольшей популярностью. Он сочетает положительные характеристики низкоуглеродистых и высокоуглеродистых сталей, при этом лишен их недостатков. Благодаря процедуре закалки, сталь можно сделать ещё более жесткой и твёрдой. Однако следует учитывать, что из-за значительного содержания углерода при кристаллизации шва существует риск трещинообразования. Поэтому вести сварку нужно с осторожностью. Из среднеуглеродистых сталей изготавливают детали для автомобилей и различные механизмы (рычаги, валы, колеса, шестерни и т. д.). Подобные изделия имеют более низкую стоимость, что делает их более привлекательными в сравнении с легированными аналогами. Важно, чтобы изделия после производства были устойчивы к образованию ржавчины, а также к высоким и низким температурам. Такие детали подходят для эксплуатации в условиях тяжелых нагрузок.
- Высокоуглеродистый (С в пределах 0,6–1,35 %)
Этот тип стали не рекомендуется подвергать сварке, так как швы будут подвержены образованию напряжений и трещин. Высокий процент углерода делает этот материал более подверженным закалке. Он становится значительно прочнее, при этом усиливаются его пружинящие свойства. Высокоуглеродистая сталь часто используется для производства различных пружин, слесарных инструментов и некоторых автомобильных компонентов.
Если, помимо углерода, в составе стали присутствуют дополнительные химические компоненты (металлы или неметаллы), то такая сталь называется легированной. Эти примеси вводят во время плавки, что позволяет получить материал с целевыми физико-химическими и механическими характеристиками. В результате эксплуатации такие сплавы становятся более устойчивыми к повышенным температурам, механическим и химическим воздействиям. Элементы, вводимые в состав, называются легирующими веществами: например, молибден, хром, титан, кадмий и другие.
Виды стали по назначению
Углеродистая сталь обычно подразделяется на конструкционную, инструментальную и специальную.
Она используется для создания элементов транспортных средств и сварных конструкций, а также в сфере металлообработки и при строительстве атомных электростанций.
Конструкционная сталь делится на следующие категории:
- Общего назначения – этот тип отделяется от примесей стандартным методом. Он подходит для создания деталей, которые не подвержены значительным нагрузкам, таких как сварные конструкции или корпусные элементы.
- Качественная. Эта сталь имеет лучшие механические свойства и высокую степень очистки. Применяется для деталей транспортных средств и крепежных компонентов.
- Повышенной обработки. Эта категория отличается качественной структурой и стабильными свойствами. Подходит для использования в автоматических линиях и поточных производствах.
Классификация и марки
Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные названия — в честь их изобретателей или определённых характеристик. Большинство других сплавов обозначаются условными маркировками, в которых содержится ключевая информация о составе и структуре. Марка стали можно рассматривать как разновидность, чьи состав и структура четко обозначены и не подлежат изменениям.
Условно все углеродистые стали делятся на несколько категорий по двум критериям: химическому составу материала и его функциональному предназначению. Причем марки, расположенные в одной группе по первому критерию, с большой вероятностью окажутся аналогичными и при оценке их рабочих характеристик.
По химическому составу
Ключевым параметром, который изучается при знакомстве с любой маркой стали, является процентное содержание углерода. Существуют три вида углеродистых сталей:
05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2
25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6
58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13
Низкоуглеродистые стали предназначены, в основном, для изготовления сварных изделий: благодаря низкому содержанию углерода они весьма податливы к любым процессам сварки, не склонны к образованию внутренних трещин и флокенов, а также хорошо поддаются механической резке и изгибанию. В общем, они считаются вязкими и обладают низкой прочностью.
Термическое упрочнение (такие как закалка и улучшение) не приводят к значительным изменениям прочности или твердости. При этом низкое содержание углерода позволяет провести особые виды химико-термической обработки, например, цементацию. В этом процессе поверхностные слои обогащаются углеродом из внешнего источника, что меняет реакцию на закалку. В результате твердость поверхности значительно увеличивается, в то время как сердцевина сохраняет мягкость и может служить амортизатором напряжения.
Среднеуглеродистые стали — наиболее востребованные и популярные благодаря своей универсальности и сбалансированным характеристикам. Они свободны от недостатков, присущих другим двум категориям, и имеют свои преимущества.
В частности, такие марки уверенно реагируют на закалку, приобретая необходимую прочность и жесткость без препятствий. Однако сварные процедуры стоит проводить осторожно — избыточное содержание углерода может привести к образованию трещин при кристаллизации шва.
Данные стали используются для производства компонентов машин и механизмов, которые регулярно подвержены рабочим нагрузкам. Например, это могут быть различные шестерни, рычаги, колеса, шкивы ременных передач, валы и оси. Углеродистые стали всегда более доступные по цене, чем легированные; поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительные, если конечное изделие не нужно защищать от коррозии или экстремальных температур. Характерными примерами применения таких сплавов являются случаи работы в обычных условиях.
Высокоуглеродистые стали не рекомендуются для сварки, так как они очень подвержены образованию трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне шва. Благодаря высокому содержанию углерода, эти сплавы наиболее поддаются закалке. Это приводит к высокой прочности и твердости, а также к повышению пружинистых характеристик.
Высокоуглеродистая сталь используется для производства специализированных деталей машин, пружин различных форм (плоские, витые, тарельчатые), режущего и слесарного инструмента.
Если, помимо углерода, в стали имеются химические компоненты – металлы и неметаллы – то она называется легированной. Примеси вводят в процессе плавки, что позволяет получить сталь с необходимыми физико-химическими и механическими свойствами. Эксплуатационные характеристики становятся значительно выше, такие сплавы могут выдерживать повышенные температуры, а также механические и химические воздействия. Элементы, добавленные в сплав, называются легирующими веществами, такими как молибден, хром, титан, кадмий и другие.
Виды стали по назначению
Углеродистую сталь делят на конструкционную, инструментальную и специальную.
Данный сорт применяют для производства элементов транспортных средств, а также для создания сварных конструкций. Используется в металлообработке и при строительстве атомных электростанций.
Конструкционная сталь делится на несколько типов:
- Общего назначения – данный тип отделяется от примесей стандартным способом. Он подходит для создания деталей, которые не требуют значительных нагрузок, таких как сварные конструкции, а также для корпусных элементов.
- Качественная. У неё наилучшие механические свойства и высокая степень очистки. Применяется для создания деталей транспортных средств и крепежа.
- Повышенной обработки. Этот вид характеризуется качественной структурой и стабильными свойствами. Подходит для автоматических производственных линий.
Классификация и марки
Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные имена — в честь их изобретателей или каких-то уникальных характеристик. Остальные же подчиняются условному обозначению, называемому маркой, в которой заключена ключевая информация о составе и структуре.
Условно всё углеродистые стали делятся на несколько категорий, основываясь на двух определяющих параметрах: химическом составе и функциональном применении. При этом марки, соседствующие в одной группе по первому критерию, также вероятно будут схожи по рабочим характеристикам.
По химическому составу
Ключевым параметром, на который обращают внимание при анализе любой марки стали, является процент углерода. От этого зависимости выделяются три вида:
05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2
25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6
58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13
Низкоуглеродистые стали, как правило, предназначены для производства сварных изделий. Благодаря низкому проценту углерода они хорошо поддаются процессам сварки, не склонны к проявлению флокенов и трещин, легко обрабатываются резкой и изгибанием. В общем, их качество считается вязким и малопрочным.
Термическое упрочнение (такие как закалка, улучшение) имеет низкий эффект в сравнении с ростом прочности или твердости. Однако их низкое содержание углерода позволяет применять в процессе специального химико-термического обработки, как цементация. В этом случае поверхностные слои насыщаются углеродом из внешних источников, что меняет реакции на закалку. Таким образом, достигается высокая твердость поверхности, а сердцевина сохраняет мягкость и может выступать в роли амортизатора напряжения.
Среднеуглеродистые стали были признаны наиболее востребованными и популярными благодаря своей универсальности и сбалансированным характеристикам. Они свободны от недостатков, присущих крайним группам, и содержат свои достоинства.
В частности, такие марки уверенно реагируют на закалку, достигая необходимой прочности и жесткости. Однако важно проводить сварочные работы осторожно, так как увеличенный уровень углерода может вызвать трещины при кристаллизации шва.
Сферы применения таких сталей обширны и включают изготовление разнообразных деталей механических систем, которые подвержены постоянным рабочим нагрузкам — например, шестерни, рычаги, колеса и валы. Углеродистые стали всегда имеют более низкую стоимость по сравнению с легированными, поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительнее, когда конечное изделие не подвержено коррозии и действию экстремальных температур. Тяжелая работа в обычных условиях — это пример применения таких сплавов.
Высокоуглеродистые стали, в свою очередь, не рекомендуется подвергать сварке: высокая вероятность образования трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне сварного шва делает это крайне нежелательным. Однако благодаря высокой доле углерода, эти сплавы обладают наилучшей реакцией на закалку. Это приводит к высокой прочности и твердости, а также к повышению пружинистых свойств материала.
Такие марки часто используются для создания различных пружин (в том числе плоских, витых, тарельчатых), высокопрочных слесарных инструментов и некоторых автомобилей.
По области применения
С учетом химического состава, круг обязанностей каждой марки уже предопределен, как и сфера, где её можно использовать с максимальной эффективностью. Поэтому все углеродистые стали разделены на три категории по области применения:
Свойства углеродистых сталей
При рассмотрении конкретной марки, инженера интересует химический состав не сам по себе, а как прямое указание на возможные физико-механические свойства. Эти свойства, в свою очередь, определяют диапазон функционала, который присущ этому материалу.
С учетом такой взаимосвязи можно заявить, что каждая марка углеродистой стали уникальна, так как она обладает собственным набором характеристик.
Прочностные характеристики
Первым параметром, на который ориентируются при проектировании любой конструкции, становится способность материала противостоять действующим нагрузкам. Это комплексная характеристика, которая включает:
- предел прочности — максимальная силовая нагрузка, при которой металл разрушается;
- предел текучести — максимальная силовая нагрузка, при которой металл начинает деформироваться;
- ударная вязкость — способность противостоять резким силовым воздействиям;
- относительное удлинение при разрыве — насколько металл будет удлиняться перед окончательным разрывом под действием радикальной силы, превышающей предел прочности;
- твердость — способность противостоять внедрению в него другого твердого тела.
Все эти показатели тесно связаны друг с другом. По их оценке можно довольно точно предсказать, как будет вести себя материал в эксплуатации.
Связь между отдельными механическими характеристиками сплава не всегда является прямой. Например, предел прочности обычно в 1,7–2,2 раза больше предела текучести. Однако чем выше предел прочности сплава, тем обычно меньшую величину относительного удлинения при разрыве он покажет.
Механические характеристики углеродистых сталей повышаются вместе с увеличением содержания углерода. Этот элемент является основным признаком всех возможностей сплава.
Ниже в таблице звучат ориентировочные параметры различных категорий сталей в их сыром состоянии.
Основные свойства
Каждая марка стали имеет свой уникальный состав и неповторимые характеристики, определяющие её последующее использование.
- Прочность. Это комплексная характеристика, формирующаяся из взаимосвязанных величин: предела прочности и текучести, твердости и ударной вязкости, а также относительного удлинения при разрыве. Связь между показателями не всегда очевидна: предел прочности примерно в два раза выше предела текучести, но его увеличение связано со снижением величины удлинения металла перед разрывом. Механические параметры, такие как твердость и предел прочности, увеличиваются при повышении процента углерода и остаются основными. Первоначальные свойства могут быть изменены при помощи термической обработки. Ударная вязкость показывает предрасположенность к образованию трещин при определённой нагрузке и зависит от структуры марки. Наивысший зафиксированный показатель составляет 160 Дж/см2.
- Коррозионная устойчивость. Этот критерий является ахиллесовой пятой всех сталей данного типа, которые подвержены разрушению и окислению при взаимодействии с водой, паром и кислородом.
- грунтование;
- хромирование;
- цинкование;
- никелирование;
- оксидирование;
- фосфатирование.
- Износостойкость. Этот параметр демонстрирует сопротивляемость механическому износу и зависит от твердости материала и рельефа его поверхности. Постепенно, для повышения этого параметра, применяются термообработка и шлифовка. Для среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей необходима закалка, в то время как для низкоуглеродистых применяют цементацию, в ходе которой внешние слои насыщаются углеродом. Также для всех категорий актуальна нитроцементация, отличающаяся от предыдущего способа тем, что параллельно с углеродом в процессе используется азот. Это улучшение свойств весьма ощутимо.
- Стойкость к температурам. Оптимальными рабочими температурами являются диапазон от -100 до +350 градусов. При превышении этого предела прочностные характеристики снижаются. Потери могут достигать 50% при температуре свыше +500 градусов. Увеличение этим параметров возможно при добавлении в состав сплава молибдена, кремния или значительного количества хрома и никеля.
- Технологичность. Сплав считается технологичным, если он способен достигать цели, для которой был использован. Углеродистые марки считаются высокотехнологичными, решая такие задачи:
- механическая обработка. Порезка, сверление, фрезеровка и т. д.;
- пластическая деформация. Штамповка, ковка, гнутие и пр.;
- сварка. Зависит от содержания углерода. При его высоком значении требуются дополнительные операции;
- термообработка. Популярность методов зависит от количества углерода в сплаве.
- втулки и крышки;
- колпаки и маховики;
- стаканы и толкатели;
- планки и прихваты.
- зубчатые колеса и шестеренки;
- валы и оси;
- шкивы и шпиндели;
- штоки, поршни и многое другое.
- напильников и надфилей;
- отвёрток и различных типов ключей;
- пассатижей и кусачек;
- секаторов и топоров;
- пил и ножовок;
- различного измерительного инструмента;
- сверл и метчиков;
- резцов, ударников и многих других предметов.
- 10 и 20. Класс прочности 3,6/4,6/4,8/5,8/6,8 без термообработки;
- 30, 35 и 45. Класс 5,6/6,6 с термообработкой;
- 35. Класс 8,8/9,8/10,9/12,9 только с термообработкой.
Для улучшения коррозионных свойств обычно используют хром, который является основным легирующим элементом. Его доля, превышающая 10%, начинает активную борьбу с окислением железа. В качестве вспомогательных элементов могут использоваться никель, медь, молибден или титан. Существует множество методов, позволяющих повысить коррозионную устойчивость углеродистой стали. К основным из них относятся:
Большинство задач в данной промышленной сфере решается с помощью углеродистых сталей, что подтверждает их технологичность. Там, где они не справляются, начинают применять легированные марки.
Использование в производстве
Разделение по направлениям дает лишь поверхностное понимание назначения сплава. Давайте рассмотрим этот вопрос более подробно.
1. Детали машин и механизмов
Недостаточная твердость сталей с низким содержанием углерода ограничивает их применение в секторах, где требуются значительные нагрузки, удары и вибрации. Из них создают:
А также отдельно можно выделить сварные конструкции и корпуса. В этих случаях прочностные характеристики становятся второстепенными по сравнению с предложенными возможностями технологической обработки.
Для деталей, подверженных более серьезным нагрузкам, которые часто требуют использование сталей, подвергшихся закаливанию или цементации, относятся:
Процесс изготовления этих элементов включает механическую обработку и термообработку заготовки, полученной при помощи штамповки или ковки. Также возможны такие операции как шлифовка или притирка с применением абразивных материалов.
Следует отметить, что высокоуглеродистые стали, благодаря своей твердости и упругости, трудно обрабатываются. Поэтому они используются значительно реже.
2. Создание инструментов
Инструментальные стали получили признание при производстве:
Однако ограничивающим фактором применения углеродистых сталей остаются неподходящие рабочие температуры.
Не всегда уступая по прочности легированным маркам, углеродистые стали имеют отличие в области использования. Они предназначены в основном для создания ручного инструмента, работающего с мягкими материалами, такими как дерево или пластик.
3. Изготовление крепежных элементов
Резьбовые крепежи изготавливаются в точности по ГОСТу 1759.4-87. Регламентом предусмотрено следующее использование сталей в зависимости от классов прочности:
Метизы производятся путем штамповки с последующим созданием резьбы. Для этих целей часто используются углеродистые стали с высокой обрабатываемостью, которые характеризуются однородностью структуры и химического состава по всему объему проката.
