Разобраться в таком вопросе, как классификация углеродистых сталей, очень важно, так как это позволяет получить полное представление о характеристиках той или иной разновидности этого популярного материала. Маркировка таких сталей, как и любых других, не менее важна, и специалист должен уметь разбираться в ней, чтобы правильно выбрать сплав в соответствии с его свойствами и химическим составом.
Из углеродистых сталей выпускается огромный ассортимент металлопроката
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.
Жаростойкая сталь Inox
Компания ТMF для производства своих изделий использует жаростойкую высоколегированную нержавеющую сталь Inox с содержанием хрома 13% и температурой начала окалинообразования от 750°C до 900°C, что подтверждается сертификатами заводов-изготовителей.
Применение жаростойкой хромистой стали Inox позволило снизить толщину стенок до 2 мм и снять устаревшее противоречие: чем тоньше стенки печи, тем лучше она греет, но тем быстрее прогорит. Ресурс печи из тонкой жаростойкой стали не меньше, а то и больше, чем ресурс печи из толстой обычной стали. При этом масса печи из жаростойкой стали в 2 раза меньше, а «скорострельность» в 2 раза выше. Стенки печи быстро раскаляются и так же быстро начинают прогревать воздух парилки, камни и смежные помещения бани через открытые двери парилки.
К тому же жаростойкая сталь благодаря образующейся оксидной плёнке не вступает в окислительную реакцию с кислородом воздуха, препятствуя его «выжиганию».
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.
Область применения
Как уже говорилось выше, углеродистые стальные сплавы по основному назначению делят на две большие категории: инструментальные и конструкционные. Инструментальные стальные сплавы, содержащие 0,65–1,32% углерода, используются в полном соответствии со своим названием – для производства инструмента различного назначения. Для того чтобы улучшить механические свойства инструментов, обращаются к такой технологической операции, как закалка углеродистой стали, которая выполняется без особых сложностей.
Сферы применения углеродистых инструментальных сталей
Конструкционные стальные сплавы применяются в современной промышленности очень широко. Из них делают детали для оборудования различного назначения, элементы конструкций машиностроительного и строительного назначения, крепежные детали и многое другое. В частности, такое популярное изделие, как проволока углеродистая, производится именно из стали конструкционного типа.
Используется проволока углеродистая не только в бытовых целях, для производства крепежа и в строительной сфере, но и для изготовления таких ответственных деталей, как пружины. После выполнения цементации конструкционные углеродистые сплавы можно успешно использовать для производства деталей, которые в процессе эксплуатации подвергаются серьезному поверхностному износу и испытывают значительные динамические нагрузки.
Конечно, углеродистые стальные сплавы не обладают многими свойствами легированных сталей (в частности, той же нержавейки), но их характеристик вполне хватает для того, чтобы обеспечить качество и надежность деталей и конструкций, которые из них изготавливаются.
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
Другие параметры классификации
Классификация углеродистых сталей возможна по уровню очищения от вредных примесей. Выделяют такие группы сплавов:
- обыкновенного качества (В);
- качественные (Б);
- повышенного качества (А).
К категории В относят стали, соответствующие определенным механическим характеристикам. Они отличаются более доступной стоимостью, не подвергаются обработке под давлением или термической. Справы категорий А и Б можно подвергать различным деформациям, и для них производитель прописывает состав и все свойства.
Существует классификация по сфере применения:
- конструкционные – используются для изготовления изделий разного назначения;
- инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов.
В маркировке углеродистой стали встречаются обозначения «сп», «пс» и «кп». Они указывают на степень ее окисления и являются еще одной классификацией сплавов:
- «сп» – спокойные сплавы с содержанием до 0,12% кремния, отличаются ударной вязкостью, однородной текстурой и химическим составом; основной недостаток – в менее качественной поверхности изделий;
- «пс» – полуспокойные сплавы с содержанием кремния 0,07–0,12%, которые отличаются равномерным распределением примесей;
- «кп» – кипящие углеродистые стали с содержанием кремния менее 0,07%, которые отличаются неоднородной структурой.
Достоинства кипящих сталей:
- доступная стоимость (за счет незначительного содержания добавок);
- высокая пластичность;
- хорошая обрабатываемость и податливость обработке при помощи пластической деформации.
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
На сегодняшний день в металлургической промышленности используются три основных технологии производства углеродистой стали. Их основные отличия состоят в типе используемого оборудования. Это:
- плавильные печи конвертерного типа;
- мартеновские установки;
- плавильные печи, работающие на электричестве.
В конвертерных установках расплавке подвергаются все составляющие стального сплава: чугун и стальной лом. Кроме того, расплавленный металл в таких печах дополнительно обрабатывается при помощи технического кислорода. В тех случаях, когда примеси, присутствующие в расплавленном металле, необходимо перевести в шлак, в него добавляют обожженную известь.
Печь для конвертерной выплавки стали
Процесс получения углеродистой стали по данной технологии сопровождается активным окислением металла и его угаром, величина которого может доходить до 9% от общего объема сплава. К недостатку данного технологического процесса следует отнести и то, что он проходит с образованием значительного количества пыли, а это вызывает необходимость использования специальных пылеочистительных установок. Применение таких дополнительных устройств сказывается на себестоимости получаемой продукции. Однако все недостатки, которыми характеризуется этот технологический процесс, в полной мере компенсируются его высокой производительностью.
Выплавка в мартеновской печи – еще одна популярная технология, которую применяют для получения углеродистых сталей различных марок. В ту часть мартеновской печи, которая называется плавильной камерой, загружается все необходимое сырье (стальной лом, чугун и др.), которое подвергается нагреванию до температуры плавления. В камере происходят сложные физико-химические взаимодействия, в которых принимают участие расплавленные металл, шлак и газовая среда. В результате получается сплав с требуемыми характеристиками, который в жидком состоянии выводится через специальное отверстие в задней стенке печи.
Цех мартеновских печей
Сталь, получаемая при выплавке в электрических печах, за счет использования принципиально другого источника нагревания не подвергается воздействию окислительной среды, что позволяет сделать ее более чистой. В различных марках углеродистой стали, полученной при выплавке в электрических печах, присутствует меньшее количество водорода. Этот элемент является основной причиной появления в структуре сплавов флокенов, значительно ухудшающих их характеристики.
Каким бы способом ни выплавлялся углеродистый сплав и к какой бы категории в классификации он ни относился, основным сырьем для его производства являются чугун и металлический лом.
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.
Гарантия на печи из стали Inox и Carbon
TMF стал первым производителем печей в России, предоставившим гарантию на банные печи из жаростойкой стали Inox — 3 года. На печи из конструкционной стали Carbon действует стандартная гарантия — 1 год.
Гарантия распространяется не только на целостность металла, но и сварных швов топки, а ведь именно швы являются «больным местом» многих производителей. Естественно, гарантия действует при соблюдении правил эксплуатации, изложенных в инструкции к каждой банной и отопительной печи TMF.
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
Принцип термической равнопрочности
Сравните: в отличие от хромированной жаростойкой стали с температурой окисления 750°C, температура начала окалинообразования у конструкционной и у большинства легированных сталей не превышает 400°C, что почти в 2 раза ниже температуры горения берёзовых поленьев.
Но так ли всё плохо с конструкционными сталями? Означает ли, что они в два раза быстрее прогорят, если температура окисления у них ниже стали Inox? Нет! Мы нашли решение!
При производстве печей ТMF используется принцип термической равнопрочности. Толщину деталей печки, подверженных наибольшей температурной и механической нагрузке, мы увеличили. У печей из хромированной стали Inox — всего в 1,5 раза до толщины 3мм. А у печей из конструкционной стали — в 2 раза, а особонагруженные – в 3 раза!!!
Например, дно каменки печи «Тунгуска 2011 Carbon» выполнено из стали толщиной 6 мм, а нижний сегмент закрытой каменки печи «Ангара 2012 Carbon», выполненный из стали толщиной 4 мм, дополнительно защищён накладкой толщиной 3 мм, что в совокупности даёт толщину 7 мм. Кроме того, подобным образом усилена нижняя часть топливников печей в области колосника. Защищены именно теплонагруженные места, что позволяет увеличить ресурс печи, практически не снижая её теплоэффективность. Благодаря этому печи TMF из конструкционной стали называют «умными печами».
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.
Особенности и основная классификация материала
Наличие углерода в стали обеспечивает ее надежность и прочность, а также снижает уровень вязкости и пластичности. Основная масса материала содержит до 99,5% железа. Сталь меняет свои характеристики благодаря термической обработке, в ходе которой достигается нужная твердость поверхности металла.
Основная классификация углеродистой стали базируется на количестве углерода. Выделяют три вида материала:
- низкоуглеродистые (содержат около 0,2% углерода);
- среднеуглеродистые (0,2–0,6%);
- высокоуглеродистые (до 2%).
Чем больше в материале содержится углерода, тем более прочный и менее пластичный он будет, также понижается вязкость стали и повышается хрупкость. Сплавы, которые содержат более 2,4% углерода, уже относятся к чугунам.
Достоинства углеродистой стали:
- высокая пластичность;
- отличная свариваемость;
- хорошая податливость обработке вне зависимости от температуры нагрева металла;
- сохранение высоких прочностных характеристик даже при большом нагреве (до 400 градусов);
- устойчивость к динамическим нагрузкам.
Недостатки углеродистой стали:
- при увеличении содержания углерода сталь снижает свою пластичность;
- имеет склонность к расширению под воздействием тепла;
- имеет слабые электротехнические характеристики;
- при нагреве до температуры, превышающей 200 градусов, ухудшает свою режущую способность и снижает твердость;
- податлива к появлению ржавчины, что налагает серьезные требования к стальным изделиям, например, необходимость в нанесении защитного покрытия.
Углеродистая сталь также классифицируется по структуре на три группы:
- доэвтектоидные (в основе их структуры – зерна феррита и перлита, содержание углерода не выходит за показатель 0,8%);
- эвтектоидные (в основе структуры – перлит, содержание углерода – 0,8%);
- заэвтектоидные (содержат вторичный цементит и более 0,8% углерода).
Структура стали определяет ее качественное состояние.
На параметры стали серьезно влияют примеси, которые в ней содержатся. Положительное влияние на металл оказывают кремний и марганец (они повышают податливость раскислению), а негативное – фосфор и сера (они ухудшают его свойства).
Повышенное содержание фосфора становится причиной того, что стальные изделия трескаются и деформируются при воздействии на них холодного воздуха, это называется хладноломкостью. При повышении температуры сталь с фосфором хорошо поддается обработке (сварке, ковке, штамповке).
Стальные изделия с высокой концентрацией серы плохо поддаются обработке под воздействием высоких температур. Это явление называют красноломкостью. Материал по структуре представляет собой сернистые зерна с легкоплавкими границами. Повышение температуры нарушает между ними связи, что приводит к появлению трещин. Параметры углеродистой стали с высоким содержанием серы можно улучшить, если легировать ее при помощи других химических элементов.
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.
