Углеродистая сталь. Виды и применение

Содержание:

1. Классификация стали
2. Основные свойства
3. Использование в производстве
4. Заключение

Сталь занимает центральное место в промышленности. Львиную долю технических задач решают с ее использованием. На сегодняшний день известно множество марок и сплавов, от самых простых до используемых в космической отрасли. Но самой популярной остается углеродистая сталь, структура которой состоит всего из двух компонентов: железа и углерода. Рассмотрим этот продукт черной металлургии подробнее.

Классификация стали

Только промышленные уникальные материалы имеют собственное имя, остальные обозначаются маркой, в которой зашифрованы ее основные параметры. Углеродистые стали разделены по группам, исходя из двух критериев: хим.состав и область использования.

При разделении по хим.составу учитывают содержание углерода. По этому показателю существуют три типа:

1. Низкоуглеродистые. Углерода в составе 0,02-0,25%. К ним относят такие марки: 10, 15, 20, Ст 0, Ст 1, Ст 2. Имеют хорошую свариваемость, гибкость. Отлично поддаются механической обработке и резке. К минусам относят низкую прочность, и даже закалка не дает существенного прироста твердости.
2. Среднеуглеродистые. Содержание углерода 0,26-0,6%. К ним относят такие марки: 25, 45, 45, Ст 3, Ст 4, Ст 5. Универсальный вид. Отлично поддаются закалке, благодаря чему получают определенную прочность. Они стоят меньше легированных, поэтому огромное количество деталей, испытующих сильные нагрузки в нормальных условиях, изготавливают из этих сталей.
3. Высокоуглеродистые. Содержание углерода 0,61-1,35%. К ним относят такие марки: 60, 70, 80, У9, У12, У13. Плохая свариваемость приводит к появлению трещин или флокенов. Благодаря самым высоким показателям по углероду, отлично проходят закалку, существенно повышающую их свойства, вплоть до появления пружинности. Эти марки нашли применение в производстве наиболее ответственных деталей, пружин и инструмента.

По сфере использования, стали также разделены на три группы:

1. Конструкционные. Применяются во всех областях промышленности для создания машин и металлических конструкций.

• обыкновенного качества. Стандартная очистка от примесей. Изготавливают корпуса и другие ненагруженные детали.
• качественные. Высокая очистка и улучшение характеристик. Производят машины и крепежные элементы.
• повышенной обрабатываемости. Их отличает стабильность структуры и физико-механических свойств. Используют для проката, деталей и элементов, работающих на автоматах и высокоскоростных станках.

2. Инструментальные. Благодаря самому высокому содержанию углерода, имеют большую твердость и износостойкость. Служат для изготовления режущего, измерительного и слесарного инструмента, а также оснастки вспомогательной и для холодной штамповки.
3. Специальные. Особые свойства этих сталей получены путем обогащения состава различными добавками.

• рессорно-пружинные. Предназначены для производства различных упругих элементов, в том числе пружин и рессор;
• строительные. Присутствие кремния и марганца наделяет их вязкостью, стойкостью и хорошей свариваемостью. Из нее делают фасонный металлопрокат: швеллера, двутавровые балки и уголки;
• подшипниковые. Небольшое количество хрома и существенное углерода, наделяют ее свойствами необходимыми для выпуска колец и подшипников;
• рельсовая. Прочная и износостойкая марка используется только для производства рельс крановых путей и способна противостоять высоким нагрузкам.

Основные свойства

Каждая марка стали имеет свой уникальный состав и неповторимые характеристики, определяющие в дальнейшем область ее применения.

1. Прочность. Это сборная характеристика, и складывается она из взаимосвязанных величин: пределы прочности и текучести, твердость и ударная вязкости, а также удлинение при разрыве. Связь не всегда является очевидной: так предел прочности примерно в два раза выше предела текучести, но чем он больше, тем меньше величина удлинения металла до разрыва. Механические параметры, такие как твердость и предел прочности, увеличиваются, как и процент углерода, и являются основными. Изначальные характеристики могут быть изменены при помощи термической обработки. Ударная вязкость показывает склонность к появлению трещин при приложении определенной нагрузки и привязана к структуре марки. Самый высокий показатель 160 Дж/см2.
2. Коррозийная устойчивость. Данный показатель является ахиллесовой пятой всех сталей этого типа, склонных к разрушению и окислению при взаимодействии с водой, паром и кислородом.








Для улучшения коррозийных свойств используют хром, основной легирующий элемент. Его доля, превышающая 10%, начинает активно бороться с окислением железа. В качестве вспомогательных элементов могут присутствовать никель, медь, молибден или титан. Есть ряд популярных методов, позволяющих повысить сопротивляемость углеродистой стали. К основным относят:

• грунтование;
• хромирование;
• цинкование;
• никелирование;
• оксидирование;
• фосфатирование.

3. Износостойкость. Характеристика показывает возможность сопротивляться механическому износу и зависит от твердости материала и рельефа поверхности. Следовательно, для ее повышения используют термообработку и шлифовку. Для среднеуглеродистых и высокоуглеродистых марок стали нужна закалка, а для низкоуглеродистых применяют цементацию, заключающуюся в насыщении внешних слоев сплава углеродом. Также для всех видов актуальна нитроцементация – отличающаяся от предыдущего способа тем, что наряду с углеродом для насыщения поверхности используют азот. Улучшение свойств при этом довольно существенное.
4. Стойкость к температурам. Оптимальным диапазоном рабочих температур считают от -100 до + 350 градусов. При выходе из него наблюдается падение прочности. До 50% при температуре свыше +500 градусов. Увеличение параметра возможно при добавлении в состав сплава молибдена, кремния или существенного количества хрома и никеля.
5. Технологичность. Сплав считается технологичным, в случае достижения цели, для которой он был использован. Углеродистые марки считаются высокотехнологичными, решающими такие задачи:

• мех.обработка. Порезка, сверление, фрезеровка и другие;
• пластическая деформация. Штамповка, ковка, гнутье и прочее;
• сварка. Зависит от содержания углерода. При высоком показателе требуются дополнительные операции;
• термообработка. Выбор способа зависит от количества углерода в сплаве.

Большинство задач в промышленности, при выборе материала, решается использованием именно углеродистой стали, что подтверждает ее технологичность. Там где она уже не справляется, начинают применять легированные марки.

Использование в производстве

Разделение по областям дает лишь поверхностное знание о назначении сплава. Изучим вопрос глубже.

1. Детали машин и механизмов

Недостаточная твердость сталей с низким содержанием углерода, ограничивает область их использования в секторах, связанных с сильными приложенными нагрузками, ударами и вибрациями. Из нее производят:

• втулки и крышки;
• колпаки и маховики;
• стаканы и толкатели;
• планки и прихваты.

Отдельно можно выделить сварные конструкции и корпуса. В них прочность уходит на второй план в сравнении с увеличением технологичности, благодаря отличной свариваемости материала.

К деталям с более серьезной нагрузкой, подразумевающей применение сталей после закалки или цементации, относят:

• зубчатые колеса и шестеренки;
• валы и оси;
• шкивы и шпиндели;
• штоки, поршни и другие.

Изготовление этих элементов подразумевает мех.обработку и термообработку заготовки, полученной при помощи штамповки или ковки. Также возможны такие операции как шлифовка или притирка, подразумевающие применение абразивных материалов.

Высокоуглеродистые стали, обладающие твердостью и упругостью, обрабатывать сложно, поэтому они используются гораздо реже.

2. Создание инструментов

Инструментальные стали получили всеобщее признание при изготовлении:

• напильников и надфилей;
• отвёрток и разных типов ключей;
• пассатижей и кусачек;
• секаторов и топоров;
• пил и ножовок;
• различного измерительного инструмента;
• сверл и метчиков;
• резцов, ударников и много другого.

Ограничивающим фактором применения является не соответствующая рабочая температура для углеродистых сталей.

Проигрывая по прочности легированным маркам, углеродистые ограничены областью использования. Так они применяются в основном для создания ручного инструмента, взаимодействующего с более мягкими материалами, например деревом или пластиком.

3. Изготовление крепежных элементов

Резьбовой крепеж производится по ГОСТу 1759.4-87. Регламентирует он следующее использование сталей по классам прочности:

• 10 и 20. Класс 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.

Метизы производятся методом штамповки с дальнейшим нанесением резьбы. Часто применяются углеродистые стали повышенной обрабатываемости, отличительной чертой которых является однородность структуры и хим.состава по всему прокату.

Заключение

Универсальность и низкая стоимость углеродистых сталей сделали их самыми доступными и широко используемыми. Купить металлопрокат, произведенный из этих марок, можно повсеместно. Участие в решении самых разных технологических задач предопределено отличными свойствами и характеристиками. Отличить тип стали и правильно применить его, очень легко - нужно руководствоваться количеством углерода в составе. Только наличие агрессивных сред заставит специалиста отказаться от них в пользу легированных сталей.