Углеродистые стали: что о них следует знать

В сфере обычного машино- и приборостроения, строительства, а также в быту: практически везде, где к эксплуатируемым стальным деталям и металлоконструкциям не предъявляется особых требований по их температурной стойкости и прочности по внешним нагрузкам, выбор часто производится в пользу обычных углеродистых сталей. Сортамент и свойства катаных материалов, выплавляемых отечественной металлургической промышленностью, очень широк. Для углеродистых сталей он регламентируется только техническими требованиями ГОСТ 380-2005 и ГОСТ 1050-2013, поэтому потребители всегда могут применять такую марку продукции, которая полностью соответствовала бы эксплуатационным условиям, с одной стороны, и финансовым затратам – с другой.

 

Особенности и строение углеродистых сталей

В отечественной и зарубежной инженерии под углеродистыми понимают стали, которые не содержат специальных добавок легирующих элементов. К наиболее распространённым из таких элементов относят хром, кобальт, ниобий, молибден, никель, титан, вольфрам и ванадий. 

Углеродистые стали часто называют нелегированными. Они содержат железо, и от 0,02 до 2,1 % углерода (связующего элемента), но обязательно включают марганец, кремний, незначительное количество меди и алюминия (иногда – титана), а также серу и фосфор. Основными причинами являются специфика металлургических процессов, используемых для выплавки сталей, и состав исходной руды.

Если марганец и кремний – полезные компоненты химсостава углеродистых сталей, то сера и фосфор считаются вредными металлургическими примесями. Исключение составляют лишь специальные стали, предназначенные для механической обработки на токарных автоматах. В такие стали добавляют избыточное количество серы, которая улучшает их обрабатываемость резанием. 

 

Роль марганца

Марганец играет ключевую роль из -за двух важных свойств углеродистых сталей - способности нейтрализовывать серу и противодействовать окислительным процессам. Поэтому при выплавке нелегированных сталей марганец используют в виде ферромарганцевых или кремнемарганцевых добавок. При постоянном совершенствовании металлургических процессов так и не было выявлено удовлетворительной замены марганца: как по ценовым показателям, так и по технологическим преимуществам.

Позитивный эффект марганца зависит от содержания кислорода в стали. Все остальные факторы обычно выбираются на основе процентной вместимости углерода. Для получения высокоуглеродистых марок используют более концентрированный ферромарганец. В результате обычное наличие марганца варьируется от 0,05 % до 1,65 %.

Марганец:

1. Повышает работоспособность металла при повышенных температурах, поскольку предотвращает появление в микроструктуре вредного сульфида железа FеS. Взамен происходит образование глобул сульфида марганца MnS, имеющих высокую температуру плавления и повышающих равномерность характеристик углеродистых сталей.
2. Вследствие снижения хрупкости улучшает обрабатываемость сталей после прокатки, особенно, если материал далее подвергается термообработке или поверхностной отделке.
3. Форма и ориентация включений MnS в структуре углеродистых сталей после горячей прокатки придают металлу характерную анизотропию свойств. Такая структура способствует увеличению пластичности. 
4. Увеличивает прочность углеродистой стали и её вязкость после прокатки, снижая температуру разложения аустенита во время охлаждения. Это стабилизирует размеры зёрен. 

Вредного влияния сульфида марганца на ограничения в применении углеродистых сталей не выявлено.

 

Роль кремния

Кремний Si присутствует во всех видах углеродистых сталей - либо в виде преднамеренной добавки (в форме ферросилиция или силикомарганца), либо в качестве естественного раскислителя руды/лома. Чтобы легировать сталь, ферросплавы содержат от 65  до 90 % кремния, а также небольшое количество железа, алюминия и углерода. Наличие данного химического элемента обусловлено:

1. Сильной раскисляющей способностью кремния, которая особенно интенсивно проявляется при температуре около 1600 0С. Раскислительная способность Si зависит от давления паров углеродного оксида над расплавом. 
2. Современная практика производства стали направлена на поддержание как можно более высокой эксплуатационной готовности плавильной печи, поэтому тепло отводится в открытом состоянии, полагаясь в основном на раскисление ковша. Основным источником тепла в процессе плавки является кремний. Характерно, что Si – первый элемент, удаляемый перед разливкой готового металла. В результате остаточное содержание кремния в углеродистых сталях не превышает 0,3…0,5 %. 
3. Si - более сильный раскислитель, чем Mn. Когда эти два элемента используются вместе (по отдельности или в виде Si-Mn), уровень кислорода в готовом металле существенно снижается. В итоге дополнительного раскисления стали не требуется.

В процессе удаления кислорода прочность стали повышается, а пластичность, наоборот, падает. Поэтому углеродистые стали с высоким содержанием кремния малопригодны для последующего пластического деформирования проката.

 

Классификация углеродистых сталей

Различают две группы нелегированных сталей: сплавы, которые поставляются по химическому составу и сплавы, поставляемые по механическим свойствам. Стали первой группы называются качественными и рассматриваются в ГОСТ 1050-2013. Стали второй группы именуют сталями обыкновенного качества; их состав и свойства определяет ГОСТ 380-2005. 

Хотя качество стальной продукции зависит от способа производства и вида исходного сырья, считается, что для изготовления менее ответственных узлов и деталей пригодны нелегированные стали ГОСТ 380-2005 (обыкновенного качества), а более ответственных – стали по ГОСТ 1050-2013 (качественные).

 

Маркировка и характеристики углеродистых сталей по ГОСТ 380-2005

Химический состав углеродистых сталей данной группы не является определяющим показателем, всё решают значения эксплуатационных показателей. Соответственно, маркировка таких материалов – чисто условная, и изменяется в зависимости от содержания углерода в сплаве (см. табл.1): 

Таблица 1

Наименование материала	Ст.0	Ст.1	Ст.2	Ст.3, Ст. 3Г	Ст.4	Ст.5я, Ст. 5Г	Ст.6
С, %	До 0,23	0,06…0,12	0,09…0,15	0,14…0,22	0,18…0,27	0,28…0,37	0,38…0,48

Примечания. 1.Буква Г в маркировке указывает на повышенное, против обычного, содержание марганца. 2. В конце марки углеродистой стали иногда размещаются дополнительные буквенные индексы, информирующие о способе раскисления: кп – кипящая, пс -полуспокойная, сп – спокойная (допускается в последнем случае обходиться без индексации, т.е. обозначение Ст.4сп и Ст.4 суть одно и то же). 

Количество допустимых примесей в сталях обыкновенного качества иллюстрируется данными, приведенными в  табл.2.

Таблица 2

Химический элемент	Медь	Алюминий	Кремний	Сера	Фосфор	Растворённый азот
Содержание, %	0,30…0,40	До 0,015	До 0,07	До 0,05	До 0,04	0,010…0.013

Таблица 3. Нормированный диапазон физико-механических свойств нелегированных сталей:

Марка стали	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %
Ст.0	Более 310	Не нормируется	20…23
Ст. 1	310…430	Не нормируется	31…35
Ст.2	330…450	190…230	29…33
Ст.3	370…500	220…250	23…27
Ст.4	410…550	240…270	21…25
Ст.5	460…600	260…290	17…20
Ст.6	Свыше 600	300…320	12…15

Показатели, указанные в табл.2 и 3 могут изменяться соответственно конкретным сферам применения продукции, что отражается в заказе.

 

Маркировка и характеристики углеродистых сталей по ГОСТ 1050-2013 и ГОСТ 1435-99

Сплавы этого типа – качественные, поскольку нормируются как по химическому составу, так и по механическим свойствам. Качественные стали различают в зависимости от процентного содержания основного компонента - углерода (данные табл. 2 при этом во внимание не принимаются!). 

Обозначение марок производится следующим образом. Предварительно материал относят к одной из двух классификационных групп – конструкционные (для производства различных деталей, металлоконструкций и узлов оборудования) или инструментальные, из которых изготавливают режущий, штамповый или мерительный инструмент - шаблоны, резцы, матрицы и т.п.

Для каждой из этих групп эксплуатационные требования к готовому металлу различны. Например, конструкционные стали должны легко свариваться, подвергаться сложному пластическому формоизменению, шлифоваться и т.д. В то же время для углеродистых инструментальных сталей важны такие параметры как износостойкость, долговечность эксплуатации и твёрдость. 

В нашей стране принято, что определяющим показателем, влияющим на прочность, пластичность и способность к термической обработке является углерод. Основанием для градации служит процентное содержание углерода. 

Условно выделяют низко-, средне- и высокоуглеродистые конструкционные стали:

• Низкоуглеродистые содержат до 0,20…0.25 % С;
• Среднеуглеродистые содержат до 0,50 % С;
• Низкоуглеродистые содержат свыше 0,50 % С.

Маркировка инструментальных углеродистых сталей, поставляемых по нормативам ГОСТ 1435-99, предусматривает обязательное наличие заглавной буквы У в начале условного обозначения, после которой указывается процентное содержание углерода. Если оно составляет около одного процента, цифра 1 не ставится.

Цифровая маркировка качественных нелегированных сталей включает количество углерода в процентах, которое указывается в целых числах после запятой и располагается после слова «сталь». Так, углеродистая качественная сталь, содержащая около 0,15 % С, называется сталь 15, около 0,40 % С – сталь 40 и т.д. Инструментальная углеродистая сталь, которая содержит 1,2 % С маркируется как сталь У12.

Диапазон присутствия остальных химических элементов (не отражающихся в маркировке), приведен в. табл. 4: 

Таблица 4

Элемент	Хром	Никель	Титан	Ванадий	Ниобий	Вольфрам	Молибден
Содержание, %	0,1…0,3	До 0,3	До 0,015	До 0,05	До 0,05	До 0,02	До 0,15

Механические характеристики качественных углеродистых сталей зависят от марки металла и возможного режима его термообработки. Они приводятся в соответствующих стандартах.

 

Сортамент углеродистых сталей отечественного производства

Номенклатура прокатных профилей определяется маркой стали и значениями её предела пластичности. Для конструкционных сталей ассортимент – более широкий, поскольку (даже для высокоуглеродистых, менее пластичных марок) прокатка может выполняться в горячем состоянии. Сортамент инструментальных сталей ограничивается их применимостью в качестве исходных заготовок. 

Группы металлопроката (в том числе, и углеродистых сталей) рассматриваются в ГОСТ 535-2005. Классификация производится:

1. По характеру поперечного сечения (плоское или объёмное). Основными разновидностями плоского (листового) проката являются рулоны, листы, ленты, полосы и плиты. Объёмный прокат, в свою очередь, подразделяется на сортовой (прутки или проволока круглого, квадратного, шестигранного поперечного сечения)  и фасонный (трубы, уголки - равнобокие и неравнобокие, швеллеры, двутавры, тавры, корытообразные профили)
2. По наличию или отсутствию термической обработки. Вид термообработки указывается в индивидуальном заказе (она используется при изготовлении высокоуглеродистых конструкционных и инструментальных сталей).
3. По наличию/отсутствию технологической поверхностной отделки. Преимущественно такой отделкой служит цинкование, но распространены также химико-термическая и электро-химико-термическая обработка металла. 
4. По температуре обработки металла – в горячем или холодном состоянии. Для нелегированных сталей нижний предел температуры условно холодного деформирования составляет 200…2500С: именно при таких температурах ещё не происходит укрупнения зёрен макроструктуры, которое ухудшает пластичность металла. Прокатка инструментальных сталей, содержащих повышенное количество углерода, происходит, как правило, в горячем состоянии.
5. По технологии получения – прокаткой, волочением (используется для получения проволоки) или продольным профилированием/вальцовкой.

 

Технологические показатели нелегированных сталей

Производственные неудачи, связанные с нелегированными сталями, в основном касаются проблем со свариваемостью, неудовлетворительной механической обработкой (и резанием, и давлением), а также ненадлежащими результатами термической обработки заготовок и изделий.

 

Свариваемость

Части сложных металлоконструкций, которые производятся из обычных углеродистых сталей, часто приходится соединять при помощи электродуговой сварки. При этом металл сварного шва должен иметь механические свойства, соответствующие основному металлу. Известные дефекты сварных швов обуславливаются:

• Неправильной техникой сварки;
• Недостаточными мерами по подготовке исходных материалов или несоблюдением сварочного режима;
• Высокими значениями структурных напряжений, возникающих в соединяемых деталях. 

Сварщик должен знать, что сама сталь тоже может быть подвержена образованию дефектов, вызванных процессом сварки. 

Нелегированные конструкционные стали  с малым содержанием углерода, как правило, хорошо поддаются сварке, но только в тех случаях, когда всесторонне учитывается конфигурация соединения и тип материала. С увеличением содержания углерода, а также избытка некоторых компонентов и примесей свариваемость снижается. На конечный результат негативно влияют параметры твёрдости, которые в зоне термического влияния существенно отличаются от характеристик основного металла. Сера и фосфор, в частности, способствуют растрескиванию сварного соединения.

Чтобы избежать водородного растрескивания при сварке, важно использовать процессы и расходные материалы с низким содержанием водорода, особенно для профилей значительной толщины. В некоторых случаях необходима последующая термообработка.

Потребность в сварке углеродистых инструментальных сталей возникает реже, но практически всегда сопровождается сложностями. Для успешной сварки таких сталей используются:

1. Сварка в инертном газе (метод MIG), во время которой образуется минимальное количество водорода. При сварке MIG высокоуглеродистых сталей необходимо использовать сварочную проволоку меньшего диаметра. Высокая сила тока может привести к образованию горячих трещин в сварном шве, поэтому избегают использования слишком большого количества тепла. 
2. Ручная сварка, которая часто предпочтительна при сварке более толстых деталей. В этом случае также выбирают электроды с низким содержанием водорода. 
3. Сварка неплавящимся вольфрамовым электродом (метод TIG), который даёт хорошие результаты для более тонких деталей. Используя данный метод, удаётся избежать высокой температуры, возникающей в зоне сварного шва. Она может вызвать хрупкость и растрескивание металла. Ключом к успешной сварке является использование присадочного стержня, который на один или два класса ниже, чем основной металл.

Сварка обычно ведётся при комнатной температуре, но предварительный нагрев места будущего сварного стыка до 150…2500С перед сваркой будет способствовать медленному охлаждению, удалению влаги и водорода, а также снижению термического напряжения. После сварки рекомендуется выполнять отжиг.

 

Обрабатываемость

Обрабатываемость углеродистой стали можно определить как лёгкость, с которой она может подвергаться процессам механического или пластического деформирования. Обрабатываемость зависит от физических свойств и условий протекания процесса.

За эталон механической обрабатываемости обычно принимают сталь 45. Все углеродистые стали, имеющие меньший процент углерода, характеризуются более высокой обрабатываемостью, соответственно обрабатываемость высокоуглеродистых сталей хуже. Для увеличения обрабатываемости материал предварительно отжигают.

При оценке обрабатываемости нелегированных сталей давлением в расчёт принимают допустимое значение степени пластической деформации, при которой материал не разрушается. Стали, содержащие до 0,3…0,35 % С в холодном состоянии деформируются на 65…70 %, а стали, содержащие до 0,45 % С – удовлетворительно (предельная степень деформации не превышает 40…60%). В таких случаях прибегают к обработке в нагретом состоянии (ковка или горячая штамповка).

Холодная пластическая деформация сильно упрочняет металл, что необходимо учитывать при выборе технологических переходов деформирования.

 

Термообработка

Термическая обработка – это процесс, контролирующий нагрев и охлаждение углеродистых сталей, выполняемый для придания им необходимых структурных свойств. Термическая обработка выполняется для улучшения свойств стали, поскольку твёрдость с применением последовательных термических обработок возрастает. Это приводит к увеличению прочности детали. Эффективность термообработки различается в зависимости от количества углерода (C), содержащегося в стали. Но для сталей по ГОСТ 380-2005 данные процессы не используют из-за их крайне низкой эффективности.

Для управления твёрдостью углеродистых сталей применяют:

1. Нормализацию (снятие внутренних напряжений или устранение неустойчивой структуры волокон, которые образовались в процессе формования). Процесс эффективен для средне- и высокоуглеродистых сталей. 
2. Отжиг (снижение твёрдости, корректировка кристаллической структуры, снятие внутренних напряжений и модификация материала для последующей обработки давлением). 
3. Закалку - процесс термической обработки стали, при котором после нагрева при высокой температуре применяется быстрое охлаждение металла. Эффективна лишь для высокоуглеродистых сталей.
4. Отпуск, который выполняется после закалки. Предназначен для регулировки значений твёрдости, придания ударной вязкости и снятия внутренних напряжений. Выполняется только для сталей, содержащих не менее 0,7…0,8 % С.

Прочие упрочняющие технологии относительно нелегированных марок стали распространения не получили.

 

Рекомендации по целесообразному применению разных типов нелегированных сталей

Низкоуглеродистая сталь

Низкоуглеродистая сталь содержит сравнительно невысокий процент углерода. Её высокая пластичность, хорошая деформируемость и свариваемость делают такие стали идеальным материалом для изделий, характеризующихся сложной пространственной конфигурацией и минимумом затраченной энергии на формовку. Стали, содержащие не более 0,25 % С, широко используются в области промышленности для производства панелей автомобильного кузовов, ограждений, сварных резервуаров и таких строительных конструкций как перекрытия и настилы.

Среднеуглеродистая сталь

Характеризуется оптимальным соотношением показателей технологичности и прочности. Этот баланс особо выгоден для таких областей применения, как изготовление железнодорожные путей, деталей машиностроительных механических приводов (зубчатых шестерён, колёс, коленчатых валов и т.п.), где решающее значение приобретают сочетание показателей умеренной твёрдости и ударной вязкости.

Высокоуглеродистая сталь

Такие стали известны своей высокой твёрдостью и прочностью, хотя и жертвуют пластичностью. Этот тип сталей в основном используется для режущих инструментов, пружин и высокопрочной проволоки, где важны износостойкость и долговечность.

Простой химический состав нелегированной стали определяет её экономичность и технологичность в обработке, Это делают её универсальным материалом в производстве и строительстве. 

 

Заключение

Нелегированная сталь является ключевым материалом в различных отраслях промышленности и строительства. Классическими примерами считаются:

• В строительстве: несущие и ограждающие конструкции, каркасы и закладные железобетонные изделия (имеет значение доступность и прочность материала);
• В машиностроении: рамы и компоненты рельсовых и безрельсовых транспортных средств, в которых приоритет отдаётся ковкости и свариваемости.
• Товары народного потребления: бытовые инструменты и приспособления, например, посуда, контейнеры для хранения непродовольственных продуктов, хозяйственные изделия, метизы.

Доступность и приспособленность нелегированной стали к различным областям применения укрепляют её роль в качестве основополагающего материала в промышленном использовании. 

Российская промышленно-инвестиционная компания ЗАО «ТФД "Брок-Инвест-Сервис и К"» органично соединяет в себе услуги по приобретению и первичной обработке всех типоразмеров проката углеродистых сталей. Широкий ассортимент поставляемых и обрабатываемых заготовок способствует сокращению сроков исполнения заказов (даже высокой сложности), а высокое качество проката позитивно влияет на долговечность готовой продукции. 

Приглашаем всех потенциальных заказчиков, занимающихся процессами металлообработки к долгосрочному взаимовыгодному сотрудничеству. Вместе со специалистами ЗАО «ТФД "Брок-Инвест-Сервис и К"» возможно преодоление любых производственных и финансовых проблем.