Конструкционные стали и сплавы для низких температур

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.

Другие параметры классификации

Еще одним параметром, по которому классифицируют углеродистые сплавы, является степень их очищения от вредных примесей. Лучшими механическими характеристиками (но и более высокой стоимостью) отличаются стали, в составе которых присутствует минимальное количество серы и фосфора. Данный параметр стал основанием для классификации углеродистых сталей, в соответствии с которой выделяют сплавы:

• обыкновенного качества (В);
• качественные (Б);
• повышенного качества (А).

Общие принципы классификации сталей

Стали первой категории (их химический состав не уточняется производителем) выбирают, основываясь только на их механических характеристиках. Такие стали отличаются минимальной стоимостью. Их не подвергают ни термообработке, ни обработке давлением. Для качественных сталей производитель оговаривает химический состав, а для сплавов повышенного качества – и механические свойства. Что важно, изделия из сплавов первых двух категорий (Б и В) можно подвергать термообработке и горячей пластической деформации.

Существует классификация углеродистых сплавов и по их основному назначению. Так, различают конструкционные стали, из которых производят детали различного назначения, и инструментальные, используемые в полном соответствии с их названием – для изготовления различного инструмента. Инструментальные сплавы, если сравнивать их с конструкционными, отличаются повышенной твердостью и прочностью.

Содержание основных элементов в инструментальных сталях

В маркировке углеродистой стали можно встретить обозначения «сп», «пс» и «кп», которые указывают на степень ее раскисления. Это еще один параметр классификации таких сплавов. Буквами «сп» в маркировке обозначаются спокойные сплавы, в составе которых может содержаться до 0,12% кремния. Они характеризуются хорошей ударной вязкостью даже при низких температурах и отличаются высокой однородностью структуры и химического состава. Есть у таких углеродистых сталей и минусы, наиболее значимые из которых заключаются в том, что поверхность изделий из них менее качественная, чем у кипящих сталей, а после выполнения сварочных работ характеристики деталей из них значительно ухудшаются.

Полуспокойные сплавы (обозначаются буквами «пс» в маркировке), в которых кремний может содержаться в пределах 0,07–0,12%, характеризуются равномерным распределением примесей в своем составе. Этим обеспечивается постоянство характеристик изделий из них.

Характеристики распространенных полуспокойных сталей

В кипящих углеродистых сталях, содержащих не более 0,07% кремния, процесс раскисления полностью не завершен, что становится причиной неоднородности их структуры. Между тем их выделяет ряд достоинств, к наиболее значимым из которых следует отнести:

• невысокую стоимость, что объясняется незначительным содержанием специальных добавок;
• высокую пластичность;
• хорошую свариваемость и обрабатываемость при помощи методов пластической деформации.

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.

Способы улучшения прочностных характеристик

Повышение прочности углеродистой стали любой группы происходит при помощи термической обработки. Одним из наиболее распространенных методов является закалка плазмой. В ходе процедуры на поверхности образуется структура из мартенсита, твердость которого превышает 9,5 ГПа. Данная структура увеличивает устойчивость стали к износу.

Еще один метод улучшения прочностных характеристик стали — химико-термическая обработка. В ходе процедуры сплав нагревается до конкретного показателя, а затем подвергается воздействию химикатов, что позволяет улучшить его параметры. Такая обработка повышает твердость и стойкость металла к износу, а также улучшает устойчивость к образованию ржавчины в кислых и влажных средах. Метод подходит для углеродистой стали любой группы.

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

Классификация углеродистых сталей

По направленности применения продукции, углеродистую сталь разделяют на инструментальную и конструкционную.

Последнюю из них используют для возведения различных строений и остовов деталей. Из инструментальных, изготавливают прочный инструмент для выполнения любых работ, вплоть до обработки металлов резанием. Применение металлических изделий в хозяйстве, потребовало выделить сталь в разные категории, обладающие специфическими свойствами: жаропрочную, криогенную и коррозионно-стойкую.

По способу получения углеродистые стали делят на:

• электростали;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.

Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:

• кипящие;
• полуспокойные;
• спокойные.

Содержание углерода делит сталь на 3 категории:

1. заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
2. эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
3. доэвтектоидные – менее 0,8 %.

Именно структура, является характерным признаком, при определении состояния металла. У доэвтектоидных сталей, структура состоит из перлита и феррита. У эвтектоидных – чистый перлит, а заэвтектоидные, характеризуются перлитом с примесями вторичного цементита.

При увеличении количества углерода, сталь повышает прочность и уменьшает пластичность. Большое влияние оказывается также на вязкость и хрупкость материала. При повышении процентного содержания углерода, уменьшается ударная вязкость и повышается ломкость материала. Не случайно, при содержании, на уровне более 2,4 %, металлические сплавы относят уже к чугунам.

По количеству углерода, в составе сплава, сталь бывает:

1. низкоуглеродистая (до 0,29 %);
2. среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
3. высокоуглеродистая (более 0,6 %).

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.

Изменение структуры при добавлении углерода

Показатели прочности и пластичности зависят от структуры и ее изменений при увеличении содержания углерода.

При доле до 0,2% образуется феррит и третичный цементит, дальнейшее увеличение приводит к образованию эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Значение показателя перлита постепенно повышается и при углероде 0,8% содержится только перлит. Если содержание более 0,8% появляются иглы вторичного цементита и перлит.

Образование цементита происходит до 2% углерода, при этом снижается прочность из-за хрупкости цементитной сетки по границам перлитных зерен. При превышении этого значения формируется эвтектическая смесь.

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.

Виды углеродистой стали по виду и качеству

Углеродистая сталь производится по различным технологиям, что ведёт к их разделению по качественным характеристикам. Различают два вида стали:

• конструкционная;
• инструментальная.

Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,65-0,70% углерода (в виде исключения также выпускается конструкционная сталь с содержанием 0,85% углерода). Она достаточно прочная, хорошо сопротивляется удару, а также хорошо обрабатывается.

Конструкционные углеродистые стали широко применяются в промышленности: их применяются для изготовления элементов конструкций машиностроительного и строительного назначения, детали для оборудования, крепёжные детали и многое другое.

Её также делят по качеству на 3 вида:

1. Обыкновенного качества – сталь широкого применения, которая подходит для производства крепёжных деталей, труб, строительных конструкций, листового проката и т.д.
2. Повышенного качества – применяется для изготовления котлов, паровозных и вагонных осей, проволоки и т.д.
3. Качественная – подходит для деталей, требующих высокой пластичности и сопротивления удару, применяемых при повышенном давлении, например, труб, болтов, винтов, зубчатых колёс и т.д.

Инструментальная углеродистая сталь отличается содержание углерода от 0,7% и выше. Такой тип стали твёрдый и прочный, что делает его подходящим для производства инструмента. Подразделяется на качественную (сера 0,03%, фосфор 0,035%) и высококачественную (сера 0,02%, фосфор 0,03%).

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

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 конструкционных углеродистых сталей по качеству, их маркировка и применение

Конструкционные стали обыкновенного качества

Их производят в соответствии с ГОСТом 380-2005, в продажу поставляют в виде листового, сортового и фасонного проката. ГОСТ подразумевает выпуск следующих марок:

• Ст0;
• Ст1пс, Ст1сп, Ст1кп;
• Ст2пс, Ст2сп, Ст2кп;
• Ст3пс, Ст3сп, Ст3кп, Ст3Гсп, Ст3Гпс;
• Ст4пс, Ст4сп, Ст4кп;
• Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс;
• Ст6пс, Ст6сп.

Буквенно-цифровая маркировка этой группы сплавов:

• Ст – сталь;
• цифры 0-6 обозначают номер марки;
• наличие в обозначении буквы «Г» указывает на присутствие марганца в количестве 0,8% и более;
• последние две буквы характеризуют степень раскисления, сп – спокойная, пс – полуспокойная, кп – кипящая.

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.