Ваш город: Москва

Ваш город
Москва?

Как влияет содержание углерода на свойства сталей

Просмотров: 3627

Время прочтения: 5 минут

21.08.2023

avatar

Компания СпектрЦвет

Автор публикации

Как влияет содержание углерода на свойства сталей

Углеродистая сталь – это сплав, полученный соединением железа с углеродом и содержащий в ограниченном количестве марганец, кремний, а также попадающие из шихты серу, никель, хром, медь и другие примеси. Главной добавкой, определяющей технологические свойства сталей, является углерод, содержание которого в металле составляет до 2.14%. Доля примесей в углеродистых сталях невелика, и не оказывает существенного влияния на основные характеристики металла.

Углеродистые марки сталей отличаются высокой скоростью закалки и низким показателем прокаливаемости. Стали имеют сравнительно невысокую стойкость против отпуска, низкую теплостойкость и электропроводность. Под воздействием влаги и агрессивных факторов такой металл склонен к корродированию, и в нем сложно добиться сочетания высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью.

Содержание углерода

Основные технологические характеристики стали зависят от процента содержания в их составе углерода. Чем выше его количество, тем лучше показатели прочности. Но, в то же время, его увеличенное количество негативно отражается на показателях пластичности и свариваемости. С учетом концентрации углерода (С) все марки сталей делятся на следующие классы:

Низкоуглеродистые

Процентный состав С в низкоуглеродистых марках стали составляет 0.025 - 0.25 от общего объема металла. Такой состав сплава обеспечивает:

  • хорошую свариваемость с применением любого вида сварочных технологий;
  • сталь не подвержена отпускной хрупкости;
  • стойкость к образованию в структуре флокенов (белых пятен на изломе), снижающих механическую прочность металла;
  • после разовой термообработки значительно повышается показатель прочности. Повторный нагрев приводит к его резкому снижению.

Низкоуглеродистые марки стали применяются в малонагруженных деталях и элементах сварных каркасных металлоконструкций, а также изделиях, которые в последующем подвергаются химико-термической обработке – цементации, азотированию и пр.

Среднеуглеродистые стали

Содержание углерода в таких марках стали составляет от 0.25 до 0.6%. Среднеуглеродистые стали также не склонны к образованию флокенов, но чувствительны к подкалке. Это указывает на некоторые трудности при их сварке и требует проведения предварительного или сопутствующего прогрева металла. Все марки стали с средним составом углерода делятся на две большие группы:

  • легированные – сплавы, в которых сплава присутствуют добавки (до 5%) в виде марганца, хрома, никеля, кремния. Такой состав обеспечивает металлу повышенные показатели прочности, пластичности и делает его более универсальным в производстве;
  • нелегированные – конструкционная сталь, повышение эксплуатационных характеристик которой достигается термообработкой (закаливание, отпуск, нормализация). Используется в производстве деталей, работающих на трение (рессоры, валы, лемехи). 

Высокоуглеродистые марки

Сталь с высоким содержанием углерода (от 0.6 до 2.14%) имеет одну отличительную особенность – она плохо поддается сварке. С уменьшением содержания углерода свариваемость сталей ухудшается. При нагреве высокотемпературная дуга создает в области сварочного шва закаленные зоны, снижающие качество соединений и образующие трещины. Поэтому сварка высокоуглеродистых марок выполняется низкотемпературной восстановительного типа дугой. 

В стали с высоким содержание углерода элемент присутствует в форме карбида железа Fe3С, поэтому сплавы отличаются повышенной твердостью, прочностью и упругостью, позволяя использовать металл в производстве ответственных деталей и измерительных приборов. Одновременно стали имеют склонность к повышенному старению и хладоломкости.

Группировка по степени раскисления

В процессе плавки сталей происходит накопление в жидком металле газов – кислорода, водорода, азота, монооксида углерода. Присутствие газовых составляющих негативно влияют на структуру и механические характеристики металла, снижая его усталостную прочность, ударную вязкость, пластичность.

Для снижения интенсивности газообразования в расплав стали вводят раскислители – кремний и алюминий, реже марганец. При добавлении этих элементов в расплав остывание металла проходит более спокойно, без интенсивного выделения газа, формирования сульфидов и других включений, повышающих риски расслоения углеродистых сталей в процессе дальнейшей обработки. С учетом активности процесса дегазации в период кристаллизации расплавов, все углеродистые стали делятся на три вида:

  • спокойные – имеют плотную мелкозернистую структуру, обладают высокими механическими и технологическими характеристиками. Отличаются высокой стоимостью из-за особенностей производства и на 10-15% меньшим объемом готового проката, чем другие марки сталей;
  • кипящие – обладают более низкими показателями прочности, имеют структурную неоднородность, больший порог хладоломкости и повышенный риск растрескивания при сварке. Но, благодаря доступной цене и сниженным потерям при металлообработке, кипящие стали активно используются в производстве неответственных деталей в строительстве и машиностроении, работающих в нормальных условиях эксплуатации;
  • полуспокойные - стали являются частично раскислеными, поэтому они характеризуются усредненными показателями качества и основных рабочих характеристик. По сравнению со спокойными они более дешевые, а с кипящими – качественны в металлообработке и надежны.

Процесс раскисления углеродистых сталей и их классификацию регламентирует ГОСТ 380-94.

Качество и назначение

От того, какое содержание углерода присутствует в стали, а также наличия в ней технологических включений, зависит качество расплава. Увеличение содержания таких элементов, как сера и фосфор, провоцирует образование трещин, красно- или хладоломкость, снижает ударную вязкость. По количеству примесей углеродистые стали делят на:

  • марки обычного качества – в них процент углерода не превышает 0.49, серы и фосфора – 0.05 и 0.04 соответственно. Выплавляются такие стали в печах любого типа, поставляются на производство в виде фасонных профилей, горячекатаных листов, проволоки, поковок;
  • качественные стали – содержат в составе не больше 0.04 и 0.035% серы и фосфора соответственно. Качественные марки стального проката и детали, полученные штамповкой, отличаются повышенной пластичностью, ударной вязкостью, выносливостью, высоким пределом текучести. Детали меньше подвергаются износу, а после термообработки характеризуются повышенной твердостью верхних слоев заготовки.

Такое свойство, как качество сталей определяет назначение изделий и сферу их применения. В связи с этим углеродистые стали делятся на две большие группы:

  • конструкционные – применяются для производства металлоконструкций, деталей и комплектующих механизмов, бытового оборудования и устройств. Содержание углерода в конструкционной стали находится в пределах в пределах 0.25-0.50%. Марки выбираются с учетом показателей прочности, глубины прокаливания, параметров ударной вязкости и износостойкости;
  • инструментальные – используются в производстве штампов, ручного и механического режущего инструмента. Максимальное содержание углерода в инструментальной стали – 1.35%, в качественных марках 0.028 и 0.03% серы и фосфора соответственно. Сталь отличается повышенными рабочими показателями - прочностью, твердостью, износоустойчивостью и стойкостью к малым пластическим деформациям. Наружные слои инструментальных марок сталей хорошо прокаливаются, а сердцевина сохраняет относительную вязкость, препятствуя преждевременному разрушению деталей.

Содержание углерода в легированных сталей составляет от 0.1 до 1.15%.

Маркировка

В России, как и в странах-участницах СНГ, при заказе металлопродукции, в сопровождающей документации маркировка углеродистых сталей производится с использованием буквенно-цифровой системы. При этом углеродистые стали обычного качества обозначаются буквами «Ст», а рядом указываются цифры от 0 до 6, характеризующие их химический состав. Качественные стали маркируют двухзначными номерами, порядок которых говорит о количестве углерода в сотых долях процента. 

Для степени раскисления используют индексы:

  • кп – кипящая;
  • пс – полуспокойная;
  • сп – спокойная.

Инструментальные стали обозначают буквой «У» в начале маркировки. Иногда в маркировке присутствуют буквы, указывающие на назначение – «к» котельная, «л» литейная.

Для примера рассмотрим маркировку следующих видом углеродистых сталей:

Ст5Гпс – конструкционная углеродистая сталь обычного качества, полуспокойная. В составе содержит углерод 0.22-0.3% и марганец до 1.2%.

20кп – конструкционная углеродистая сталь, качественная, кипящая, содержание углерода в пределах 0.17-0.24%. 

Поделиться статьей

Популярное в блоге

Виды опор для дорожных знаков

Виды опор для дорожных…

Опоры дорожных знаков – это многофункциональные металлоконструкции…

Методы покраски опор освещения

Методы покраски опор…

Металлические опоры наружного освещения подвержены старению и…

Как происходит резка металла

Как происходит резка…

Чтобы сформировать из металла деталь проектных размеров или заготовку…

Сэндвич-панели по ГОСТ

Сэндвич-панели по ГОСТ

Сэндвич-панели, состоящие из металлической обшивки и минерального…

Строительство металлических башен

Строительство металлических…

Металлические башни – это многофункциональные металлоконструкции,…

Обратная связь