Углеродистая сталь: состав, свойства, классификация и производство

Состав, свойства, классификация и производство углеродистой стали

Балки перекрытий, свёрла, коленчатые валы, водопроводные трубы — за огромной частью привычных металлических изделий стоит один и тот же материал. Он дёшев, хорошо поддаётся обработке и при этом способен держать серьёзную нагрузку. Ниже разобрано, что такое углеродистая сталь, из чего она состоит, как термообработка меняет её свойства, где её применяют, по каким признакам классифицируют и какими способами получают.

Из чего состоит углеродистая сталь?

Полностью очистить готовый сплав от примесей современные технологии пока не позволяют. Поэтому, помимо железа, в углеродистой стали постоянно присутствует набор других химических элементов:

• углерод — до 2,14 %;
• кремний — до 1 %;
• марганец — до 1 %;
• сера — до 0,05 %;
• фосфор — до 0,06 %.

Большинство этих элементов попадает в сплав из-за особенностей плавки, и лишь углерод вводят намеренно.

Когда содержание примесей трудно удержать в нужных рамках, положение выправляют через уровень углерода. При этом действует чёткая граница: сталь считается углеродистой только тогда, когда доля углерода по массе не превышает 2,14 %.

Как термообработка меняет свойства стали?

Структуру и характеристики металла во многом определяет термическая обработка. С её помощью добиваются нужной твёрдости поверхности и других качеств, без которых стальную конструкцию не пустишь в дело.

Однако не всё поддаётся такой настройке. Есть свойства, которые термообработкой изменить нельзя, — к ним относится жёсткость, выражаемая через модуль упругости или модуль сдвига. Это ограничение обязательно учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов.

К стали, которую подвергают подобной обработке, предъявляют повышенные требования по содержанию углерода и примесей. Такие марки называют сталями повышенного качества.

Где применяют углеродистую сталь?

Благодаря своим свойствам этот материал востребован во многих отраслях промышленности, но особенно — в машиностроении. Способность выдерживать высокие нагрузки и хорошие пределы усталости открывают ему дорогу к ответственным деталям машин.

• Детали, работающие под нагрузкой: коленчатые валы, маховики, корпуса шатунов, поршни плунжерных насосов, зубчатые передачи редукторов, а также технологическая оснастка лёгкой и деревообрабатывающей промышленности.
• Упругие элементы: стали с повышенным содержанием марганца идут на пружины, рессоры и торсионы.
• Режущий инструмент: из инструментальной стали изготавливают свёрла и резцы для обработки металлов.
• Коммуникации и конструкции: сталь с низким и средним содержанием углерода применяют для металлических конструкций, а прокатные станы выпускают из неё разнообразные профили — трубы, уголки, двутавры.

По каким признакам классифицируют углеродистые стали?

Единой шкалы для этого материала нет — его группируют сразу по пяти признакам, и каждый описывает свою сторону сплава.

1. По назначению продукции. Сталь делят на конструкционную и инструментальную. Конструкционные, в свою очередь, бывают обыкновенного качества и качественными, а инструментальные — качественными и высокого качества.
2. По способу производства. Здесь выделяют мартеновские стали, электростали и кислородно-конвертерные.
3. По отношению к химически активным средам. По этому признаку стали разделяют на спокойные, полуспокойные и кипящие.
4. По содержанию углерода (структурный признак). Различают доэвтектоидные — до 0,8 % углерода, эвтектоидные — ровно 0,8 % и заэвтектоидные — более 0,8 %.
5. По количеству углерода в сплаве. Сталь бывает низкоуглеродистой — до 0,29 %, среднеуглеродистой — от 0,3 до 0,6 % и высокоуглеродистой — свыше 0,6 %.

Как производят углеродистую сталь?

Выпуском металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Суть производства углеродистой стали сводится к переработке чугунных заготовок: из них удаляют лишний углерод, а также серу и фосфор, доводя содержание этих элементов до нужной концентрации.

На практике опираются на три основных метода.

• Кислородно-конвертерный. От бессемеровского способа он отличается тем, что жидкий чугун продувают чистым кислородом, а не воздухом. Это заметно снижает содержание азота и других вредных примесей в сплаве.
• Мартеновский. Здесь углерод выжигают из чугуна не только воздухом, но и за счёт добавления железных руд и ржавых металлических изделий. Процесс идёт в специальных печах.
• Электрохимический. Выплавку ведут в электродуговых или индукционных печах. Этим способом получают инструментальные и жаростойкие сплавы.

Собранные воедино, все эти сведения выстраиваются в понятную логику: состав задаёт базовые свойства, термообработка корректирует их в нужных пределах, классификация помогает точно подобрать марку, а способ производства определяет чистоту и назначение стали. Именно такая цепочка и делает углеродистую сталь одним из самых универсальных конструкционных материалов.