Углеродистые конструкционные стали: классификация, свойства, применение

Конструкционная сталь — материал особой прочности и пластичности, что обеспечивает высокую сопротивляемость к разрушению изготовленных из нее конструкций. Представляет собой сплав, определенные характеристики которого позволяют использовать многопрофильный материал для изготовления промышленных механизмов и строительных конструкций.

конструкционные стали

Классификация качественных углеродистых сталей

Классифицировать углеродистые качественные стали конструкционные стали можно по следующим признакам:

  • По назначению:
    • для использования в машиностроении;
    • для использования в строительстве;
  • По количеству содержания примесей, снижающих качество:
    • обыкновенного качества;
    • качественные;
    • высокого качества;
    • особо высокого качества;
  • По составу:
    • наличие углерода:
      • малоуглеродистые;
      • среднеуглеродистые;
      • высокоуглеродистые;
    • наличие легирующих элементов:
      • низколегированные;
      • среднелегированные;
  • По способу поставки:
    • кованная;
    • катанная;
    • калиброванная;
  • По обработке:
    • обыкновенные;
    • котельные;
    • автоматные;
  • По степени раскисления:
    • кипящая (кп);
    • полуспокойная (пс);
    • спокойная (без обозначения).

Наглядная классификации видов стали

Наглядная классификации видов стали

Раскисление оказывает влияние на однородность внутренней структур металла. Лучшей по однородности является спокойная (а, г), за ней следует полуспокойная (в, е) и менее качественная кипящая (б, д). Внутренняя структура хорошо показана на рисунке.

Состав

В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.

Высокая прочность и твёрдость — вот что характеризует углеродистую сталь.

Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.

Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:

  • водороду;
  • азоту;
  • кислороду;
  • кремнию;
  • марганцу;
  • фосфору;
  • сере.

Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.

Общая характеристика качественных углеродистых сталей

Основными отличиями качественных сталей от сталей обыкновенного качества являются:

  • малое количество снижающих качество примесей: серы с фосфором;
  • узкий диапазон количества углерода;
  • увеличенное количество марганца или кремния.

Сталь поставляется от производителя с гарантией заявленного состава химических элементов и присущих им механических свойств.

Говоря о характеристиках качественных сталей следует выделить самые значимые:

  • высокая прочность;
  • пластичность;
  • вязкозть ударная.

Изменение структуры стальных слитков в процессе твердения

Изменение структуры стальных слитков в процессе твердения

Но для улучшения эксплуатационных характеристик сотрудники институтов и лабораторий экспериментируют над химическим составом, способами повышения прочности и твердости поверхностей, методами термической обработки, способами плавки и разливки металла. Механические свойства углеродистых качественных сплавов зависят от химического состава.

Свойства присущие углеродистым сплавам:

  • Низкоуглеродистым – низкая прочность при высокой пластичности. Используются при производстве и изготовлении деталей и узлов со сложной конструкцией и небольшими нагрузками.Свойства присущие углеродистым сплавам:
  • 15-20 – для неответственных деталей, которые не нуждаются в дополнительной термической обработке или подвергнутые нормализации.
  • Среднеуглеродистые – для изготовления деталей, для которых предъявляются требования высокой твердости, но с пониженной пластичностью. Изделия, для которых необходима термическоя обработка: закалка поверхностного слоя, улучшению, нормализации. Для облегчения обработки резанием среднеуглеродистые стали подвергаются отжигу.
  • Высокоуглеродистые, а также с дополнительно введенным марганцем – обладают высокими показателями упругости и стойкости к износу. Поэтому из нее изготавливают пружинные изделия.
  • Автоматные – используются для обработки на автоматизированных станках. Фосфор и сера в большем количестве способствуют образованию мелкой стружки, что положительно сказывается на обрабатываемости, стойкости инструмента, но страдает шероховатость обрабатываемых поверхностей.

Скачать ГОСТ 1050-88

Стали углеродистые инструментальные

Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.

Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99):

  • качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
  • высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А.

В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных — 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:

  • 1-я — качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патенти- рованной проволоки и ленты);
  • 2-я — высококачественные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы;
  • 3-я — стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников;
  • 4-я — стали всех марок для производства патентированной проволоки и ленты;
  • 5-я — стали марок У7÷У13 для изготовления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали этих марок для производства горячекатаной и кованой сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки).

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью (63÷64 HRC3), значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).

Измерительный инструмент, изготовленный из такой стали, должен быть прочным (ав = 590÷640 МПа), длительное время сохранять заданные размеры и форму. Рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой стали, должны иметь высокую твердость, обладать износостойкостью при достаточной вязкости. Все это достигается путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. В табл. 6 приведены свойства углеродистой инструментальной стали, в табл. 7 — примерное назначение инструментальной углеродистой стали.

Таблица 6. Свойства стали углеродистой инструментальной (ГОСТ 1435 — 74)

Марка стали Механические свойства
σт σв

МПа

δ, % Дж/см

3

HRС
У7А 630 21 63
У8А 590 63
У10А 590 23 63
УНА 63
У12А 640 28 64
У13А 64

Таблица 7. Примерное назначение стали углеродистой инструментальной

Марка стали Назаначение
У9 Деревообрабатывающий режущий инструмент (сверла, фрезы, ножи) и ножовочные полотна для обработки стали
У10, У11 и У12 Металлорежущий инструмент (фасонные резцы, сверла, метчики, плашки, развертки, фрезы, напильники и ходовые винты прецизионных станков)
У13 Бритвенные ножи, лезвийный хирургический инструмент и напильники
У7 и У8 Слесарные молотки, зубила, губки тисков, шаблоны, скобы
У8, У9 и У10 Детали микрометрического инструмента, гладкие и резьбовые калибры, цанги, фрикционные диски, пружины и др.

Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зернистый цементит, который способствует лучшей обрабатываемости резанием и уменьшает коробление деталей при закалке.

Просмотров: 7 495

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

  • цветные металлы;
  • чугун;
  • нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Статьи по темам: Изделия из металла, Металлообработка, Сварка, Лазерная резка, Металлоконструкции, Плазменная резка, Гибка металла, Шкафы, Свойства металлов, Механическая обработка, Покраска

Химический состав стали

В зависимости от химического состава углеродистые стали могут быть:

  • низкоуглеродистыми. Углерод в составе сплава составляет не более 0,25%. Такие сплавы хорошо деформируются как в холодном, так и в горячем виде;
  • среднеуглеродистыми. Доля углерода составляет порядка 0,3-0,6%. Эти составы отличает повышенная прочность, при хорошей пластичности и текучести;
  • высокоуглеродистыми. Количество углерода варьирует от 0,6 до 1,4 %. Благодаря структуре, отличается повышенной плотностью и уникальными свойствами.

На однородность, хрупкость, прочность и вязкость сплава в большой степени влияет наличие в составе элементов, имеющих неметаллическую природу. Чтобы сделать структуру стали более мелкозернистой и уменьшить количество неметаллических примесей производят раскисление стали.

Влияние углерода и легирующих элементов на свойства стали

Стали промышленного производства являются сложными по химическому составу сплавами железа и углерода. Кроме этих основных элементов, а также легирующих компонентов в легированных сталях, материал содержит постоянные и случайные примеси. От процентного содержания этих компонентов и зависят основные характеристики стали.

В нашем прайс-листе Вы можете ознакомиться с актуальной стоимостью арматуры в Санкт-Петербурге и Ленинградской области.

Определяющее влияние на свойства стали оказывает углерод. После отжига структура этого материала состоит из феррита и цементита, содержание которого увеличивается пропорционально росту концентрации углерода. Феррит является малопрочной и пластичной структурой, а цементит – твердой и хрупкой. Поэтому повышение содержания углерода приводит к увеличению твердости и прочности и снижению пластичности и вязкости. Углерод меняет технологические характеристики стали: обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Увеличение концентрации углерода приводит к ухудшению обрабатываемости резанием из-за упрочнения и снижения теплопроводности. Отделение стружки от стали с высокой прочностью повышает количество выделяемой теплоты, что провоцирует уменьшение стойкости инструмента. Но низкоуглеродистые стали с малой вязкостью также обрабатываются плохо, так как образуется с трудом удаляемая стружка.

Наилучшую обрабатываемость резанием имеют стали с содержанием углерода 0,3-0,4%.

Увеличение концентрации углерода приводит к снижению способности стали к деформации в горячем и холодном состояниях. Для стали, предназначенной для сложной холодной штамповки, количество углерода ограничено 0,1%.

Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали. Для сварки средне- и высокоуглеродистых сталей используют подогрев, медленное охлаждение и прочие технологические операции, предотвращающие появление холодных и горячих трещин.

Для получения высоких прочностных свойств количество легирующих компонентов должно быть рациональным. Избыток легирования, исключая введение никеля, приводит к снижению запаса вязкости и провокации хрупкого разрушения.

  • Хром – недефицитный легирующий компонент, оказывает позитивное воздействие на механические свойства стали при его содержании до 2%.
  • Никель – наиболее ценная и дефицитная легирующая добавка, вводимая в концентрации 1-5%. Он наиболее эффективно снижает порог хладноломкости и способствует увеличению температурного запаса вязкости.
  • Марганец, как более дешёвый компонент, часто используют в качестве заменителя никеля. Увеличивает предел текучести, но может сделать сталь чувствительной к перегреву.
  • Молибден и вольфрам – дорогие и дефицитные элементы, применяемые для повышения теплостойкости быстрорежущих сталей.

Микроструктура

В нормализованном состоянии стали бывают:

  • перлитные — характеризуются низким содержанием элементов легирования и имеют после нормализации структуру: перлит, перлит + феррит, перлит + заэвтектоидный карбид;
  • мартенситные — имеют пониженную критическую скорость закалки и достаточно высокое содержание легирующих элементов;
  • аустенитные — повышенное содержание легирующих элементов, под влиянием которых достигается структура: аустенит, аустенит + карбид.

Стали с особенными химическими и физическими свойствами

Как классифицируются стали по химическому составу

Кроме всех вышеперечисленных, существуют также марки сталей с особыми свойствами:

  • электротехническая сталь — сплав железа и кремния, иногда легированный алюминием; применяется при производстве магнитопроводов разнообразного электротехнического оборудования;
  • суперинвар — сплав железа, никеля и кобальта, применяемый при изготовлении высокоточного оборудования;
  • жаростойкая — обладает повышенной стойкостью против разрушения при температурах от 900 °C, легируется алюминием, кремнием, никелем;
  • жаропрочная — применяется для изготовления деталей газотурбинных установок, такие стали призваны работать в нагруженном состоянии при высокой температуре в течение некоторого времени.

Способы улучшения прочностных характеристик

Если свойства марок легированных сталей улучшают посредством ввода в их состав специальных добавок, то решение такой задачи по отношению к углеродистым сплавам осуществляется за счет выполнения термообработки. Одним из передовых методов последней является поверхностная плазменная закалка. В результате использования этой технологии в поверхностном слое металла формируется структура, состоящая из мартенсита, твердость которого составляет 9,5 ГПа (на некоторых участках она доходит до 11,5 ГПа).

Само оборудование для плазменной закалки малогабаритно, мобильно и просто в эксплуатации

Поверхностная плазменная закалка также приводит к тому, что в структуре металла формируется метастабильный остаточный аустенит, количество которого возрастает, если в составе стали увеличивается процентное содержание углерода. Данное структурное образование, которое может преобразоваться в мартенсит при выполнении обкатки изделия из углеродистой стали, значительно улучшает такую характеристику металла, как износостойкость.

Одним из эффективных способов, позволяющих значительно улучшить характеристики углеродистой стали, является химико-термическая обработка. Суть данной технологии заключается в том, что стальной сплав, нагретый до определенной температуры, подвергают химическому воздействию, что и позволяет значительно улучшить его характеристики. После такой обработки, которой могут быть подвергнуты углеродистые стали различных марок, повышаются твердость и износостойкость металла, а также улучшается его коррозионная устойчивость по отношению к влажным и кислым средам.

Обработка деталей химико-термическим способом в вакуумной печи значительно увеличивает поверхностную прочность


Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Добавить комментарий