Среднеуглеродистые стали: что о них нужно знать

Что такое среднеуглеродистые стали? Отечественные специалисты в области металлообработки считают, что к категории обычных среднеуглеродистых сталей следует относить такие, количество углерода у которых находится в пределах 0,30…0,60 %, при этом легировать металл какими-нибудь иными элементами нет необходимости.  Такое содержание углерода в среднеуглеродистой стали расширяет качественный диапазон значений системосвязующего элемента и предопределяет повышенную универсальность металлов. Стали этой группы подходят для производства различных видов машиностроительной продукции и строительных металлоизделий, достаточно хорошо обрабатываются процессами резания, хорошо деформируются в горячем состоянии. 

С другой стороны, постоянная востребованность марок и профилей проката углеродистых нелегированных сталей - одна из причин увеличенных масштабов их производства, поэтому цена на такую продукцию доступна большинству российских заказчиков.

Что из себя представляет среднеуглеродистая сталь

Металлурги всегда стремятся обеспечить баланс свойств стальных материалов. Относительно углерода (С) проблема заключается в том, что с ростом процентной доли углерода возрастает прочность стали, но одновременно металл теряет свою пластичность. Т.е., например, деформируемость и свариваемость растут, но зато теряется прочность стального изделия при нагружении его высокими значениями внешних сил.

При правильном смешивании элементов удаётся создавать варианты различных материалов, отнимая одни свойства и улучшая или увеличивая другие. Отработанные столетиями процентные доли С позволили обеспечить идеальный баланс между свойствами высокоуглеродистой и низкоуглеродистой стали.

Химический состав

Какие стали относятся к среднеуглеродистым и каково содержание углерода в среднеуглеродистой стали? Эти стали состоят  из железа, углерода (его содержание не должно превышать 0,3…0,6 %) и сопутствующих элементов. Эти элементы (за исключением марганца и кремния) попадают в металл из-за особенностей металлургического процесса выплавки и состава исходного сырья. В нелегированных среднеуглеродистых сталях отечественного производства содержится не более 1,65% марганца (Mn) и не менее 0,4 % кремния (Si). Соответственно, кристаллическая решётка такого металла представлена атомами железа с добавлением атомов углерода, кремния и марганца.

Хотя железо является основным ингредиентом среднеуглеродистой стали, но они содержат немного фосфора  и серы, а также хрома (иногда), медия,  ванадия, молибдена и никеля. Первые два элемента относятся к вредным металлургическим примесям, поскольку уменьшают пластичность стали. Остальные металлы в принципе улучшают свойства среднеуглеродистых сталей, но из-за того, что общий их объём незначителен, кардинально менять характеристики материала они не могут.

В табл. 1 показан химический состав среднеуглеродистой стали по данным ГОСТ 1050-2013.

 Таблица 1 

Характеристики и свойства среднеуглеродистой стали

Как уже отмечалось, содержание углерода в среднеуглеродистой стали составляет от 0.3 до 0,6 %. Это предопределяет следующие положительные особенности:

1. Высокую прочность, особенно при отсутствии динамических (ударных) нагрузок.
2. Достаточную пластичность. Стали этого типа хорошо поддаются разделительным операциям холодной штамповки, а формоизменяющие переходы доступны практически без ограничений при нагреве материала до 700…8000С.
3. Среднеуглеродистые нелегированные стали можно подвергать термообработке – нормализации, отжигу и – с известными ограничениями – закалке.

В табл.2 приведены основные физические и физико-механические характеристики обычных среднеуглеродистых сталей.

Таблица 2

Сопоставительный анализ возможностей различных марок среднеуглеродистых сталей

Для выплавки стали используются обычные металлургические технологии. Изменения касаются только количества углерода, которое вводится в сплав. При сталеплавильном производстве железная руда разделяется на железо и кислород в доменной печи, после чего следует рафинирование и – при необходимости – очистка слитка от печной окалины.

Марки среднеуглеродистой стали созданы по тому же принципу, что и для остальных сталей: в начале маркировки указывается слово «сталь», а далее проставляются процентные доли углерода. Например, в стали Сталь 35 содержится около 0,5 % С. Это и образует формулу среднеуглеродистой стали.

Рассмотрим свойства некоторых, наиболее распространённых марок нелегированной среднеуглеродистой стали, которые предусмотрены в ГОСТ 1050-2013:

1. Сталь 40. Сталь содержит от 0,38% до 0,43% углерода и характеризуется отличной свариваемостью. Обладает высокой износостойкостью и сохраняет свою прочность даже при пониженных температурах. Из неё изготавливают гидравлические цилиндры, валы и другие детали машиностроительного оборудования.
2. Сталь 50. Характеризуется более высоким содержанием углерода – около 0,50%. При таком количестве углерода хрупкость материала увеличивается, а пластичность, соответственно, падает. Поэтому использование стали 50 допустимо также и при изготовлении неответственного разделительного инструмента.
3. Сталь 45. Наиболее распространённая марка нелегированной стали, предусматриваемая в проектах промышленной техники. При её обработке легко отметить достаточно хорошую свариваемость и обрабатываемость резанием (штамповка, особенно пространственных изделий, возможна только в нагретом состоянии). Как и все марки нелегированной стали, сталь 45 не отличается хорошей коррозионной стойкостью, поэтому показывает требуемую конструкторами долговечность, только в условиях регулярной смазки контактируемых поверхностей. Сталь является разумным выбором для производства деталей/поковок механических передач: звёздочек, шестерён, осей и валов. 

Свойства остальных марок среднеуглеродистых сталей можно легко аппроксимировать, зная возможности материалов, представленных выше.

Прокатные профили

Помимо выбора между различными марками среднеуглеродистой стали, потребителям приходится выбирать и сортамент их поставки:

1. Сортовой прокат (прутки). Такой прокат среднеуглеродистой стали может иметь круглое, квадратное или шестигранное поперечное сечение. Сортовой прокат обладает высокой прочностью, что идеально подходит для производства валов, осей или шестерён. Что касается макроструктуры после обработки давлением (при механической обработке структура стали не меняется), то перлит и феррит в процессе пластического деформирования смешиваются, что становится причиной дополнительного повышения прочности. Прутковый прокат особенно целесообразен для последующей обработки заготовок на прессах или станках с ЧПУ. 
2. Листовой прокат. Этот сортамент – разумное решение в технологических процессах изготовления автомобильных панелей и других конструкционных компонентов, которые необходимо формовать, обрабатывать на станках или сваривать. Макроструктурные перестройки – такие же, как и для сортового проката.
3. Проволока. Выбор в пользу такого профиля делают тогда, когда из описываемых марок стали производят пружины, тросы, метизные изделия повышенной прочности и другую подобную продукцию. Заготовки из проволоки поддаются гибке, скручиванию и горячей штамповке, в том числе, и автоматизированной. Прочность конечной продукции при этом не снижается. 
4. Трубы. Повышенная прочность цельносварных труб, которые изготавливаются из среднеуглеродистых сталей, позволяет использовать их при прокладке магистральных трубопроводов низкого и среднего давления, эксплуатация которых происходит при сравнительно небольших перепадах температур. Предпочтительным являются обустройство наземных и надземных коммуникаций, состояние которых легче контролировать. 

Сферы оптимального применения среднеуглеродистых сталей

Существует множество технологических процессов использования и деформирования среднеуглеродистой стали, особенно когда требуются детали и компоненты, способные выдерживать большие нагрузки без поломки. Вот несколько примеров:

• Железнодорожные пути;
• Колесные пары поездов;
• Муфты;
• Поковки;
• Коленчатые валы для двигателей автомобилей;
• Детали общемашиностроительного оборудования;
• Автомобильные панели;
• Корпусные элементы подъёмно-транспортной техники.

Среди отраслей следует выделить сельскохозяйственное машиностроение, вагоностроение, производство строительной и дорожной техники.

Аналоги и недостатки среднеуглеродистой стали

Некоторые эквиваленты российских марок нелегированных среднеуглеродистых сталей:

• В США и Канаде – AISI 1045;
• В Западной Европе – С45Е;
• В Германии - 1.1191;
• В Японии – С45с;
• В КНР – 45G.

Когда принимается решение о включении той или иной марки среднеуглеродистой стали в проект или объект, стоит рассматривать и возможные ограничения данных материалов. К ним относятся:

• Пониженная пластичность: среднеуглеродистая сталь более хрупкая, поэтому перед применением её необходимо отжигать;
• Низкая коррозионная стойкость: среднеуглеродистые стали, не имеющие защитных покрытий, во влажной атмосфере быстро покрываются ржавчиной, которая искажает размеры изделий и снижает их долговечность при эксплуатации;
• Невозможность выполнять деформационное упрочнение: поскольку среднеуглеродистые стали с трудом поддаются холодной обработке давлением, единственным доступным способом улучшения их характеристик остаётся термообработка.

Компания ЗАО «ТФД "Брок-Инвест-Сервис и К"» является надёжным поставщиком не только услуг по приобретению среднеуглеродистых сталей. У нас можно заказать точную металлообработку приобретённых материалов и заготовок, что существенно сокращает сроки исполнения заказов.