Андрей Смирнов
Время чтения: ~14 мин.
Просмотров: 0

Углеродистая сталь

Назначение и изготовление

Их основное назначение — это получение канатной проволоки.
При изготовлении применяют патентирование, быстро охлаждают до получения мелкозернистой структуры Ф+П (феррит + перлит) и тут же подвергают холодной деформации — волочению. Сочетание ультрамелкой структуры и наклёпа позволяет получить в проволоке механическое напряжение σB{\displaystyle \sigma _{B}} = 3000 — 5000 МПа. Из-за малой вязкости конструкционные детали из этой стали не делают.
Для изготовления подшипников используют легированные хромом (от 0,35 до 1,70 % (масс.) Cr) стали марок ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, содержащие 0,95-1,05 % (масс.) углерода (ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. Технические условия). Из высокоуглеродистой стали изготавливают стальную дробь ДСЛ (литая), ДСК (колотая) и ДСР (рубленая) для дробеструйной обработки поверхностей — абразивной очистки или упрочнения (ГОСТ 11964-81. Дробь чугунная и стальная техническая. Общие технические условия). Для изготовления пружин применяют проволоку из сталей КТ-2 (0,86-0,91 % (масс.) C) и 3К-7 (0,68-0,76 % (масс.) C).

К высокоуглеродистым сталям относятся, в частности:

  • Штамповые стали — 0,6-1,0 % углерода;
  • некоторые виды пружинных сталей;
  • Инструментальные стали, в свою очередь включающие быстрорежущие стали.

Основные виды

Такой вид материалов подразделяется на такие три основные категории:

  • инструментальные углеродистые стали;
  • легированные инструментальные стали;
  • быстрорежущие.

Все они производятся согласно установленному ГОСТу.

Углеродистые виды материала во время нагревания теряют свою прочность, соответственно, их используют для производства инструментов, которые работают на малых скоростях или при простых условиях резания, когда температура нагревания составляет не больше 200 градусов.

Преимущественно их применяют для производства:

  • напильников;
  • сверл;
  • разверток;
  • метчиков и не только.

Поскольку углеродистая инструментальная сталь обладает низкими показателями свариваемости, ее не используют при изготовлении сварных конструкций.

В зависимости от процентного соотношения содержания в материале углерода, марганца, кремния, серы и других элементов он подразделяется на такие марки, как:

  • У7;
  • У8;
  • У8Г;
  • У10 и прочие.

Легированные материалы и их маркировка

Легированные материалы в составе дополнительно содержат следующие элементы:

  • никель;
  • медь;
  • марганец и т. д.

Все они улучшают характеристики материала. Легирующие элементы должны указываться при маркировке с помощью специальных обозначений буквами. Все это позволяет заранее увидеть, из чего состоит данная инструментальная сталь. Марки материала также могут включать не только буквы, но и цифры. Цифры указывают на то, в каком количестве тот или иной элемент содержится в стали в процентном соотношении. Если при маркировке цифра не ставится, то количество элемента равно около 1 процента.

При маркировке легированной стали на первом месте стоит количество углерода, которое равно десятым долям процента. Например, марка 6ХС содержит углерод в количестве 0,6%, а также по одному проценту кремния и хрома.

Инструментальные легированные стали преимущественно используются для производства штамповых или режущих инструментов, к ним относят:

  • плашки;
  • метчики;
  • развертки;
  • сверла;
  • фрезы и не только.

Как и углеродистые стали, легированные материалы тоже непригодны для производства сварных конструкций.

Быстрорежущие стали

Маркировка быстрорежущих материалов состоит из буквы «Р», числа, указывающего на массовую долю вольфрама и букв элементов, присутствующих в составе материала. Это могут быть кобальт, молибден и другие. Далее идут цифровые значения их массовых долей. Если маркировка включает буквы «Ш», то это значит «электрошлаковый переплав».

Доля хрома в быстрорежущей стали при маркировке не указывается, также отсутствует указание массовой доли молибдена, если она не превышает отметку в один процент.

Такие виды материалов оптимально подходят для производства режущих инструментов, которые от трения нагреваются до температуры от 600 до 6500 градусов. При этом они не будут деформироваться, и терять свою твердость. Данный вид изделий хорошо поддается свариванию посредством стыковой электросварки со сталью таких марок, как 45 и 40Х.

Свойства стали

Физические свойства

  • плотность ρ ≈ 7,86 г/см3; коэффициент линейного теплового расширения α = (11…13)·10−6 K−1;
  • коэффициент теплопроводности k = 58 Вт/(м·K);
  • модуль Юнга E = 210 ГПа;
  • модуль сдвига G = 80 ГПа;
  • коэффициент Пуассона ν = 0,28…0,30;
  • удельное электросопротивление (20 °C, 0,37—0,42 % углерода) = 1,71·10−7 Ом·м.

Зависимость свойств от состава и структуры

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих.

Углерод — элемент, с увеличением содержания которого в стали увеличивается её твёрдость и прочность, при этом уменьшается пластичность.

Кремний и марганец (в пределах 0,5 … 0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают. Эти элементы вводятся в большинство углеродистых и низколегированных марок сталей во время операции раскисления (сначала — ферромарганец, затем — ферросилиций, как дешевые раскисляющие ферросплавы).

Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления 1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.

Фосфор также является вредной примесью, т. к. придает стали хладноломкость (хрупкость при пониженных температурах). Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию. Однако существует группа сталей с повышенным содержанием фосфора, так называемые — «автоматные стали», металлоизделия из которых легко поддаются обработке резанием (например, болты, гайки и пр. на револьверных токарных станках-полуавтоматах).

Феррит — железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой. Сплавы на его основе обладают мягкой и пластичной микроструктурой.

Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C, наоборот, придаёт стали твёрдость. При появлении в структуре заэвтектоидной стали свободного цементита (при С более 0,8 %) пропадает четкая связь между содержанием углерода и комплексом механических свойств: твердостью, ударной вязкостью и прочностью.

Перлит — эвтектоидная (мелкодисперсная механическая смесь) смесь двух фаз — феррита и цементита, содержит 1/8 цементита (точнее — согласно правилу «рычага», если пренебречь растворимостью углерода в феррите при комнатной температуре — 0,8/6,67) и поэтому имеет повышенную прочность и твёрдость по сравнению с ферритом. Поэтому доэвтектоидные стали гораздо более пластичны, чем заэвтектоидные.

Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма состояния сплавов железо-углерод — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего большинства сталей — повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы, как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями.

4 Классификация – по какому признаку еще можно разделить сталь?

Во время производства этапу очищения сплава от вредных примесей могут уделять внимание по-разному. Так, когда доля серы и фосфора совершенно незначительна, то речь идет о качественном материале

Конечно, он имеет и более высокую стоимость, но и механические показатели таких сталей находятся на совершенно ином уровне. Однако зачастую нет смысла тщательно очищать материал от примесей, ведь таким образом, во-первых, получится удешевить продукцию, а, во-вторых, свойства и характеристики сплавов обыкновенного качества вполне сносны, при этом они тоже могут подвергаться различным термическим обработкам. Классификация этих углеродистых сталей насчитывает три вида: А, Б и В.

Первые отбирают, основываясь только на механических характеристиках, при этом химический состав не уточняется, поэтому они не подвергаются ни термическому воздействию, ни обработке давлением. В сталях группы Б, напротив, известен состав. А вот сплавы повышенного качества относятся к третьей категории (В). В этом случае гарантируются определенные механические свойства и химический состав. Стали последних двух групп подвергаются термической обработке и горячей деформации.

Сплав повышенного качества категории В

Следующей объектом нашего внимания станет классификация по назначению углеродистых сталей. Из конструкционных сплавов в основном производят детали механизмов, автомобильные запчасти и т. д. Инструментальные стали, содержащие более 0,7% углерода, нашли себя при изготовлении строительных инструментов. К их достоинствам относится повышенная твердость и отличная прочность.

Спокойные (содержится до 0,12% кремния) стали относятся к достаточно качественным сплавам. Для них характерны однородный химический состав и структура. Они подвергаются обработке, имеют неплохую ударную вязкость даже при –50 °C. Правда, с повышением температуры и после проведения сварочных работ эта характеристика ухудшается. Да и поверхность такого материала может быть менее качественной по сравнению с марками кипящих сталей.

Достоинствами полуспокойных (0,07–0,12% Si) можно назвать равномерное распределение примесей, что обеспечивает постоянные механические свойства проката. К последнему типу (КП) относится материал с содержанием кремния не более 0,07%. Такая кипящая сталь характеризуется незавершенным процессом раскисления, в результате структура получается менее однородной. Положительные стороны КП:

ГОСТ 19281-89

Низколегированная конструкционная сталь. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы за цифрами указывают присутствие легирующих элементов, а цифры после букв обозначают содержание легирующих элементов в процентах (17Г1С, 09Г2С, 14ХГС). Г — это марганец, С — это кремний, Ф — ванадий, Х — хром и т.п. Буква А означает азот, но если А стоит в конце (30ХГСА), то это обозначает не азот, а высококачественную
сталь («Ш» в конце еще круче: 30ХГС-Ш).Если содержание легирующих элементов менее 1,5%, то цифра отсутствует (50Х, 17ГС). Для легированных сталей вводят понятие углеродного эквивалента, подсчитываемого с учетом химического состава по несложной формуле. Углеродный эквивалент характеризует прочность и хрупкость стали. При большом углеродном эквиваленте сталь становится очень хрупкой и ее использование как конструкционного материала становится опасным. На рынке б/у трубы наиболее часто встречается сталь 17ГС, 17Г1С, 17Г1С-у. Марки перечислены в порядке улучшения свойств (по химическому составу в порядке снижения содержания вредных для стали примесей фосфора и серы).

Наиболее распространенные марки сталей на рынке б/у трубы это — Ст3, 10, 20 и 17Г1С. По свариваемости они все одинаковы — без ограничений. По коррозийной стойкости: чем качественнее сталь, тем лучше. Однако, некоторые исследования по коррозии (в 3% растворе поваренной соли NaCl) показывают, что с увеличением содержания углерода в сталях 10, 20 и легирующих элементов в стали 17Г1С скорость коррозии основного металла увеличивается и составляет соответственно 0,17, 0,25 и 0,33 мм/год.

Стали марок Ст3, 20 очень мало отличаются по химическому составу:

Химический состав в % стали Ст3сп.

Химический состав в % стали 20.

Из-за допускаемого разброса по составу химический анализ не всегда позволяет однозначно отличить Ст3 и 20. Качество стали 20 лучше, чем у Ст3. У нее выше прочность и меньше разброс свойств. У стали 10 содержание углерода ниже, чем у Ст3 или 20.

Иногда трубы по механическим свойствам материала делят на классы прочности. Обозначения К 34, К 38, 42, К 50, К 52, К 55 и К 60 (цифры означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм2). Чем больше цифра, тем выше прочность. Такую классификацию применяет ГОСТ 20295-85 для магистральных труб. Трубы из стали Ст3 с учетом разброса свойств теоретически могут относится к классам прочности К 38 — К 42 (фактически К 36), из стали 10 — К38, из стали 20 — К 42. Сталь 17Г1С более прочная — К 52.

Легированные конструкционные стали

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском в районе 550—680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность.

Легирующие элементы — химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях — в пределах 0.25-0.50 %.

Маркировка

  • Две цифры в начале маркировки указывают на конструкционные стали. Это содержание в стали углерода в сотых долях процента.
  • Буква без цифры — определённый легирующий элемент с содержанием в стали менее 1 %.(А — азот, Р — бор, Ф — ванадий, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Х — хром, П — фосфор, Ч — редкоземельные металлы, В — вольфрам, Т — титан, Ю — алюминий, Б — ниобий)
  • Буква и цифра после неё — определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).
  • Буква А в конце маркировки — указывает на высококачественную сталь.

Например 38Х2Н5МА — это среднелегированная высококачественная хромоникелевая конструкционная сталь. Химический состав: углерод — около 0,38 %; хром — около 2 %; никель — около 5 %; молибден — около 1 %.

Назначение и изготовление

Их основное назначение — это получение канатной проволоки.
При изготовлении применяют патентирование, быстро охлаждают до получения мелкозернистой структуры Ф+П (феррит + перлит) и тут же подвергают холодной деформации — волочению. Сочетание ультрамелкой структуры и наклёпа позволяет получить в проволоке механическое напряжение σB{\displaystyle \sigma _{B}} = 3000 — 5000 МПа. Из-за малой вязкости конструкционные детали из этой стали не делают.
Для изготовления подшипников используют легированные хромом (от 0,35 до 1,70 % (масс.) Cr) стали марок ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, содержащие 0,95-1,05 % (масс.) углерода (ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. Технические условия). Из высокоуглеродистой стали изготавливают стальную дробь ДСЛ (литая), ДСК (колотая) и ДСР (рубленая) для дробеструйной обработки поверхностей — абразивной очистки или упрочнения (ГОСТ 11964-81. Дробь чугунная и стальная техническая. Общие технические условия). Для изготовления пружин применяют проволоку из сталей КТ-2 (0,86-0,91 % (масс.) C) и 3К-7 (0,68-0,76 % (масс.) C).

К высокоуглеродистым сталям относятся, в частности:

  • Штамповые стали — 0,6-1,0 % углерода;
  • некоторые виды пружинных сталей;
  • Инструментальные стали, в свою очередь включающие быстрорежущие стали.

Назначение и изготовление

Их основное назначение — это получение канатной проволоки.
При изготовлении применяют патентирование, быстро охлаждают до получения мелкозернистой структуры Ф+П (феррит + перлит) и тут же подвергают холодной деформации — волочению. Сочетание ультрамелкой структуры и наклёпа позволяет получить в проволоке механическое напряжение σB{\displaystyle \sigma _{B}} = 3000 — 5000 МПа. Из-за малой вязкости конструкционные детали из этой стали не делают.
Для изготовления подшипников используют легированные хромом (от 0,35 до 1,70 % (масс.) Cr) стали марок ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, содержащие 0,95-1,05 % (масс.) углерода (ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. Технические условия). Из высокоуглеродистой стали изготавливают стальную дробь ДСЛ (литая), ДСК (колотая) и ДСР (рубленая) для дробеструйной обработки поверхностей — абразивной очистки или упрочнения (ГОСТ 11964-81. Дробь чугунная и стальная техническая. Общие технические условия). Для изготовления пружин применяют проволоку из сталей КТ-2 (0,86-0,91 % (масс.) C) и 3К-7 (0,68-0,76 % (масс.) C).

К высокоуглеродистым сталям относятся, в частности:

  • Штамповые стали — 0,6-1,0 % углерода;
  • некоторые виды пружинных сталей;
  • Инструментальные стали, в свою очередь включающие быстрорежущие стали.

Сварка

Стали, содержащие свыше 0,6 % углерода, свариваются значительно хуже, чем среднеуглеродистые, в которых углерода содержится от 0,25 до 0,6 %.
Высокоуглеродистые стали очень склонны к закалке и образованию трещин в переходной зоне и зоне термического влияния. Поэтому при их сварке применяется наконечник с меньшей тепловой мощностью, равной 75 л/час на 1 мм толщины металла.
Пламя должно быть восстановительным или с небольшим избытком ацетилена. При окислительном пламени происходит усиленное выгорание углерода и шов получается пористым. Предупреждение появления закаленных зон и трещин осуществляется предварительным и сопутствующим подогревом до 200—250°.

Присадочным материалом служит проволока Св-15, содержащая углерода от 0,11 до 0,18 %, или Св-15Г по ГОСТ 2246—54.
Предпочитается левый способ сварки.
После сварки необходима нормализация.

Получить наплавленный металл с высокими механическими свойствами при сварке этих сталей можно также, применяя присадочную проволоку с нормальным содержанием углерода, но легированную хромом (0,5 — 1 %), никелем (2 — 4 %) и марганцем (0,5 — 0,8 %). При сварке металла толщиной менее 3 мм предварительный подогрев не производится.

1 Какие стали называются высокоуглеродистыми?

Сначала стоит вообще разобраться с тем, что такое сталь. Итак, это сплав углерода и железа, а также иных легирующих элементов. Причем содержание первого колеблется в пределах от 0,02% до 2,14%, и в зависимости от его количества стали делятся на мало-, средне- и высокоуглеродистые. Что же насчет последних, так в этом случае, как уже становится понятно из названия, в сплаве повышенное количество углерода, это более 0,6 %. Такой состав влияет на эксплуатационные характеристики.

Высокоуглеродистая сталь, механические свойства которой мы подробнее рассмотрим чуть ниже, сваривается достаточно проблематично, а все из-за склонности материла к таким дефектам, как закаленные зоны и трещины в области термического влияния. В связи с этим необходимо использовать наконечники с малой тепловой мощностью. Что же насчет пламени, так оно должно быть восстановительным, ведь окислительное приведет к чрезмерному выгоранию углерода, а это поспособствует повышенной пористости шва.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации