Углеродистые стали — один из наиболее распространенных типов сталей на рынке металлопродукции. Они отличаются от других металлов тем, что содержат меньше 2% легирующих элементов, в основном углерода. Такой минимальный процент легирующих элементов предоставляет им определенные преимущества перед другими металлами.

Углеродистые стали наиболее часто используются в конструкциях, где требуется высокая прочность и устойчивость к коррозии. Они также обладают хорошей свариваемостью и способностью к обработке на станках.

Углеродистые стали представляют собой достаточно широкий класс материалов, и у них есть несколько подтипов. В зависимости от процента углерода и других добавок, углеродистые стали могут быть обычной, n-изоляционной, низколегированной и высоколегированной.

В данной статье мы поговорим более подробно о всех типах углеродистых сталей, их особенностях, преимуществах и недостатках, а также о том, где и как они применяются в нашей повседневной жизни.

Что это такое?

Углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом (содержание углерода в стали может быть от 0,03 до 2%). Углеродистые стали важным компонентом многих инженерных конструкций и деталей машин, таких как шестерни, ходовые детали, стержни и т.д.

Содержание углерода при производстве сталей регулируется, чтобы получить сталь с необходимыми механическими свойствами. Чем больше углерода в стали, тем она более твердая и прочная, но при этом менее пластичная. Низкокачественные углеродистые стали обычно используются для строительных работ, а более высококачественные — для производства деталей машин.

Углеродистые стали также имеют некоторые недостатки, такие как низкая коррозионная стойкость и склонность к высокотемпературному плавлению. Однако, эти недостатки могут быть устранены путем добавления других элементов к сплаву.

Отличия от легирующих сталей

Углеродистые стали отличаются от легирующих сталей прежде всего тем, что они содержат незначительное количество примесей. Легирующие стали, в свою очередь, содержат специальные добавки, которые повышают их качество и улучшают их характеристики.

Углеродистые стали используются там, где не требуется особое качество материала, а важна его стоимость. Легирующие стали, напротив, применяются в тех случаях, когда требуется высокая прочность, устойчивость к коррозии и другие характеристики, которые невозможно получить из углеродистых сталей.

Еще одним отличием углеродистых сталей от легирующих является их способность к закалке. Углеродистые стали закаляются очень хорошо, что позволяет повысить их твердость и прочность. Легирующие стали, в свою очередь, могут быть закалены только при определенных условиях, что делает их производство более трудоемким и дорогостоящим.

Несмотря на ограничения по характеристикам, углеродистые стали остаются одними из самых востребованных материалов в мире. Большой спрос на них обусловлен их доступностью, а также высокой прочностью и надежностью при правильном использовании.

Классификация

Углеродистые стали классифицируются в зависимости от их износостойкости, коррозионной стойкости, стойкости к высоким температурам, магнитных свойств и других факторов. Общепринятой классификацией является метод, разработанный Американским институтом железа и стали (AISI).

AISI разделяет углеродистые стали на четыре основных класса:

• Стали низкого углерода (Low carbon Steel) – содержат до 0,3% углерода. Они обладают высокой пластичностью и прочностью, но не настолько тверды как другие стали и имеют низкую стойкость к износу и ударным нагрузкам.
• Стали среднего углерода (Medium carbon Steel) – содержат от 0,3% до 0,6% углерода. Они обладают более высокой твёрдостью и стойкостью к износу, чем стали низкого углерода, но могут быть менее пластичными.
• Стали высокого углерода (High carbon Steel) – содержат более 0,6% углерода. Они обладают высокой твёрдостью и стойкостью к износу и ударным нагрузкам, но при этом имеют низкую пластичность. Применяются в изготовлении режущих инструментов, пружин, шариков.
• Легированные стали (Alloyed steel) – содержат кроме углерода также другие элементы (например, хром, никель, молибден, ванадий, тунгстен). Они обладают более высокой прочностью и стойкостью, чем углеродистые стали и находят широкое применение в машиностроении и авиационной промышленности.

В зависимости от обработки и свойств, стали могут быть дополнительно классифицированы. Например, холоднокатаные стали, горячекатаные стали, нержавеющие стали, жаропрочные стали, быстрорежущие стали и т.д.

По технологии получения

Углеродистые стали получают путём обработки чугуна в специальных конвертерах. Чугун, содержащий большое количество углерода, подвергается выдуванию кислорода и примесей, что приводит к уменьшению концентрации углерода и получению на выходе стали.

Процесс получения углеродистых сталей охватывает несколько этапов: обращение чугуна, включение в его состав легирующих элементов, выдувание кислорода и других примесей с помощью специальных конвертеров и последующее легирование стали. Каждый этап тщательно контролируется и регулируется, что позволяет получать сталь необходимого качества и химического состава.

Современные методы получения углеродистых сталей позволяют достигать высоких показателей качества продукции, при этом эффективно использовать различные типы источников сырья. Конвертерная обработка чугуна считается одним из наиболее эффективных и экологически чистых методов получения стали.

• В результате обращения чугуна и выдувания кислорода и других примесей получается чистая сталь.
• Легирование стали позволяет добиться необходимых характеристик, таких как прочность, устойчивость к коррозии, возможность обработки.
• Методы получения углеродистых сталей постоянно совершенствуются и оптимизируются, что позволяет улучшать качество товарной продукции и снижать себестоимость производства.

По уровню раскисления

Углеродистые стали могут иметь разный уровень раскисления. Раскисление применяется для уменьшения количества кислорода в стали, чтобы избежать образования пор, трещин и других дефектов в структуре стали. Чем ниже уровень раскисления, тем выше качество стали и ее цена.

Сталь с высоким уровнем раскисления имеет больше кислорода, что может повлиять на ее прочность и хрупкость. Она часто используется в производстве строительных материалов, таких как арматурная сталь. Сталь с низким уровнем раскисления более прочная и износостойкая, а также имеет более высокую коррозийную стойкость. Она используется в производстве автомобилей, машин и других изделий, где требуется высокое качество стали.

Уровень раскисления стали зависит от используемого раскислителя, температуры и времени его воздействия на сталь. Для стали, используемой в различных отраслях, может потребоваться разный уровень раскисления.

• Сталь среднего углерода с высоким уровнем раскисления (значение СаO более 1%), часто используется в производстве арматурной стали и других строительных материалов.
• Сталь среднего углерода с низким уровнем раскисления (значение СаO менее 0,001%), используется в производстве машин и автомобильной промышленности.
• Сталь высокой прочности с низким уровнем раскисления (значение СаO менее 0,0005%), используется в производстве инструментов, лезвий, штырей и других изделий высокого качества.

По качеству

Качество углеродистых сталей зависит от процессов их производства, особенностей легирования и термической обработки. Чем выше содержание углерода, тем качественнее сталь. Однако, это не единственный фактор. Также важно соблюдение технологии производства и правильный подбор добавок.

Высокоуглеродистые стали (содержание углерода более 0,6%) имеют высокую прочность, отличные антикоррозионные свойства, ударную вязкость и обрабатываемость. Однако, подвержены к образованию трещин и легко окисляются.

Для повышения качества углеродистых сталей используются специальные методы легирования, например, добавки хрома, магния, молибдена и других элементов. Это позволяет улучшить механические свойства, антикоррозионные свойства, упрочнить материал и снизить вероятность образования трещин.

Некоторые типы углеродистых сталей, такие как конструкционные, инструментальные, нержавеющие, имеют свои особенности по качеству и имеют большую ценность в определенных областях применения.

По сфере использования

Углеродистые стали используются в широком диапазоне отраслей промышленности, благодаря своим уникальным свойствам. За счет высокой прочности и твердости, они являются необходимыми материалами для производства инструментов, орудий и запчастей для металлообрабатывающей промышленности.

Кроме того, углеродистые стали применяются в производстве автомобилей, авиации, судостроения и железнодорожного транспорта. Они используются для изготовления колесных ободов, валов, шестерен и других деталей, которые должны выдерживать высокие нагрузки и износостойкие.

В строительной отрасли углеродистые стали используются для производства арматурных стержней, прутьев и сеток. Благодаря своей прочности, они способны выдерживать значительные нагрузки и повышать надежность строительных конструкций.

Кроме того, углеродистые стали применяются в производстве бытовой техники, мебели и оборудования для производства пищевой продукции, таких как печи, грили и мясорубки.

В целом, углеродистые стали имеют широкий спектр применения и являются незаменимыми материалами для производства прочных и долговечных изделий.

По наличию и объемам С

В углеродистых сталяхиготовление которых основано на введении углерода в состав сплава, главным компонентом является углерод. Наличие углерода в стали существенно повышает жесткость, прочность и стойкость к износу.

Объем углерода в углеродистых сталях варьируется и определяет их структуру и свойства. Сталь с высоким содержанием углерода (более 1,5%) называют жесткой и легко обрабатываемой, но менее прочной и вязкой. Низколегированные углеродистые стали имеют меньшее содержание углерода (менее 0,25%), что делает их более прочными и вязкими, но менее стойкими к износу и более трудными в обработке.

В зависимости от требуемых свойств для конкретного применения, выбирается соответствующий уровень содержания углерода в стали.

Маркировка и марки

Маркировка углеродистых сталей является одним из наиболее важных критериев при выборе определенного типа металла для конкретного применения. На каждой стали обязательно указывается своя марка, которая позволяет определить ее основные свойства и предназначение.

Марки углеродистых сталей обозначаются буквами и цифрами. Буквенное обозначение указывает на содержание определенного сплава, а цифры — на процентное содержание углерода в стали. Чем выше цифры, тем больше содержание углерода.

Некоторые марки могут иметь дополнительное обозначение, которое указывает на назначение стали. Например, марка 45 символизирует углеродистую сталь со средним содержанием углерода и назначением для изготовления рессор и пружин.

Общепринятые марки углеродистых сталей — это марки с содержанием углерода от 0,08 до 1,6 %. Но есть и более узкоспециализированные марки, которые используются только в определенных отраслях промышленности.

Использование правильной марки углеродистой стали является одним из ключевых моментов при изготовлении качественных деталей и механизмов.

Применение

Углеродистые стали широко используются в промышленности: в производстве металлоконструкций, труб, автомобильных и железнодорожных компонентов, сельскохозяйственной техники и многих других изделий. Они обладают высокой прочностью и жесткостью, что делает их идеальным материалом для изготовления деталей конструкций, стержней и каркасов.

Также, углеродистые стали используются для производства оружия и тактических бронированных машин, где эти материалы позволяют создавать изделия со сложными формами и поверхностными свойствами. Они давно зарекомендовали себя в качестве материала для производства резисторов, контактных колодок и проводников в электронном оборудовании благодаря своим электропроводным и теплопроводным свойствам.

Кроме того, следует отметить, что углеродистые стали применяются в медицине как материалы для изготовления стержней и костных имплантатов, а также в производстве биосенсоров благодаря их химической активности и биосовместимости.

• Промышленное производство: металлоконструкции, трубы, автомобильные и железнодорожные компоненты, сельскохозяйственная техника.
• Оружие и бронированные машины.
• Электронное оборудование: резисторы, контактные колодки, проводники.
• Медицинские имплантаты и биосенсоры.

Обработка углеродистых сталей

Обработка углеродистых сталей представляет собой комплекс процессов, который включает в себя несколько этапов. Сначала происходит раскатка, при которой заготовка подвергается деформации в прокатном стане. Затем следует термическая обработка, которая включает нагревание до определенной температуры и охлаждение вещества.

В зависимости от желаемых свойств изделия, могут использоваться разные методы обработки. Например, для получения повышенной прочности стали может применяться закалка, при которой заготовка быстро охлаждается в воде или масле. Для получения мягких и гибких материалов может использоваться отжиг, при котором заготовка нагревается до высокой температуры и оставляется остывать вместе с печью.

После термической обработки сталь может подвергаться дополнительной обработке, такой как обработка поверхности, особенно для увеличения износостойкости. К рассматриваемым методам относятся нанесение твердосплавных покрытий, оксидирование поверхности и термохимическая обработка.

В итоге, правильная обработка углеродистых сталей позволяет получить материалы с желаемыми свойствами, такими как прочность, гибкость, устойчивость к коррозии и износу. Как правило, спецификация процесса зависит от конкретного применения стали.