Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.

По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8 % С, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8 % С, структура которой состоит только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8–2,14 % С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

Кипящая сталь наиболее дешевая, так как при ее выплавке расходуется минимальное количество специальных добавок и обеспечивается максимальный выход годного продукта. Пониженное содержание кремния и марганца обусловливает меньшую прочность и большую пластичность, чем у спокойной стали. Недостатками кипящей стали являются развитая ликвация, в головной части слитка неоднородность содержания углерода достигает 400 %, серы — 900 % от их среднего содержания. В спокойной стали неоднородность содержания углерода лишь на 60 %, а по сере на 110 % превышает их среднее содержание в стали. Прокат из кипящей стали более неоднороден по химическому составу, чем прокат из спокойной стали. Листы и профили, изготовленные из разных частей слитка, различаются по содержанию углерода, серы и фосфора. Поэтому прокат из кипящей стали характеризуется неоднородностью структуры и механических свойств даже для металла одной плавки. В среднем кипящая сталь содержит около 0,02 % кислорода, что в несколько раз больше, чем у спокойной стали. Хладостойкость кипящей стали понижена, в среднем Т₅₀ у нее на 10–20 °С выше по сравнению сТ₅₀ для спокойной стали. Пониженное сопротивление хрупкому разрушению особенно характерно для проката значительной толщины (14–20 мм и более) из кипящей стали.

Спокойная сталь гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящая сталь. Благодаря присутствию в спокойной стали остаточного (кислоторастворимого) алюминия у нее ниже склонность к росту зерна, чем у кипящей стали. Поэтому прочность и хладостойкость более однородного и мелкозернистого проката из спокойной стали выше, чем проката из кипящей стали.

Но при затвердевании спокойной стали в изложницах образуется большая усадочная раковина, для удаления которой прибегают к обрезанию слитка (12–16 % по массе). Вследствие этих потерь, а также дополнительных расходов, в том числе на ферросплавы и алюминий для раскисления, спокойная сталь дороже кипящей.

Существует сталь с промежуточной степенью раскисления — полуспокойная. В отличие от кипящей она обрабатывается перед разливкой небольшим количеством раскислителей.

По однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, по сопротивлению хрупкому разрушению и прочностным показателям прокат из полуспокойной стали уступает прокату из спокойной стали и занимает между ним и прокатом из кипящей стали промежуточное положение.

Основным преимуществом кипящей стали является высокий (более 95 %) выход годного. У полуспокойной стали, раскисляемой марганцем и в ковше кремнием, выход годного составляет около 90 %.

Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного слитков спокойной стали около 85%, но металл значительно более плотен и имеет более однородный химический состав.

По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали. Стали обыкновенного качества содержат не более 0,05 % S и не более 0,04 % Р. Качественные стали содержат не более 0,04 % S (в случае инструментальных сталей до 0,03 %) и не более 0,035% Р, они менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. В особо ответственных случаях эти стали содержат менее 0,02 % S и 0,03 % Р. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах. Качественные стали предпочтительнее для изготовления изделий, эксплуатируемых при низких температурах, в частности, в условиях Севера и Сибири.

Стали обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380–94. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1, Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры — условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная.

Химический анализ стали обыкновенного качества должен соответствовать нормам, указанным в табл. 5.1.

Углеродистые стали обыкновенного качества содержат С ≤ 0,49 % и выпускаются трех разновидностей в зависимости от технологии раскисления: кипящие с С ≤ 0,27 % (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп и Ст4кп); полуспокойные (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс и Ст6пс); спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп и Ст6сп). К этим сталям относятся также стали Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс с Mn = 0,8–1,10 % (в стали Ст5Гпс допускается Mn = 0,8–1,20 %). Эти стали имеют повышенную прочность по сравнению с прочностью сталей Ст3пс, Ст3сп и Ст5пс. В стали Ст0 ограничивают только содержание углерода (не более 0,23 %), серы, фосфора, не предъявляют специальных требований к технологии ее выплавки, нормируют только временное сопротивление (σ_в ≥ 300 МПа).

В сталях обыкновенного качества нормируют содержание примесей на более высоком уровне, чем у сталей других групп: S ≤ 0,05 %, P ≤ 0,04 %, As ≤ 0,08 %. В сталях, выплавленных на керченской руде, допускается As ≤ 0,15 %, N ≤ 0,010 %; в сталях, выплавленных в дуговых печах, N ≤ 0,012 %.

Качественные углеродистые стали выплавляются в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050–88. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы — не более 0,04 %, фосфора — не более 0,035 %). Для стали марок 11кп и 18кп, применяемой для плакирования, содержание серы и фосфора должно быть не более 0,035 %.

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15, ..., 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) и высокоуглеродистые конструкционные (до 0,65 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7–1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

Особенностями химического состава (табл. 5.3) углеродистых качественных сталей является суженный интервал допустимого содержания углерода (0,08 %), нормированное содержание хрома (0,10–0,25 %) для предупреждения «подкаливания» при охлаждении проката и обеспечения его твердости не выше 255 НВ независимо от содержания углерода, ограничение содержания серы и фосфора (до 0,035 % каждого элемента).

Если стали предназначены для изготовления патентированной проволоки, то в них уменьшают содержание марганца (0,30–0,60 %) и примесей хрома (≤ 0,15 %), никеля (≤ 0,15 %) и меди (≤ 0,20 %), чтобы не увеличить устойчивость переохлажденного аустенита и не получить после патентирования нежелательную структуру с пониженной технологической пластичностью. Для проката сталей с С > 0,35 % нормируется обезуглероживание, если детали из этих сталей будут подвергаться индукционной закалке. Допускается

Таблица 5.3

Химический состав углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-88)

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы.

1. Стали 05, 08, 10 — малопрочные, высокопластичные; из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.

2. Стали 15, 20, 25 — цементуемые, предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т. п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо.

Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; применяются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т. п.), а также для деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от минус 40 до 425 °С.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большой прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии — после закалки и высокого отпуска на структуру сорбита — достигаются высокая вязкость, пластичность и, как следствие, малая чувствительность к концентраторам напряжений. При увеличении сечения деталей из-за несквозной прокаливаемости механические свойства сталей снижаются. После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т. п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости. Для деталей, работающих на растяжение, сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и, как следствие, сквозная прокаливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается 12 мм. Для деталей, испытывающих главным образом напряжения изгиба и кручения (валы, оси и т. п.), которые максимальны на поверхности, толщина упрочненного при закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали. Возможный размер поперечного сечения таких деталей — 30 мм.

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40, 45, 50. Их применяют после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности (HRC 40–58) и сопротивление износу (шейки коленчатых валов, кулачки распределительных валиков, зубья шестерен и т. п.).

Индукционной закалкой с нагревом ТВЧ упрочняют также поверхность длинных валов, ходовых винтов станков (рис. 5.2) и других деталей, для которых важно ограничить деформации при термической обработке.

Рис. 5.2. Сечение ходового винта после поверхностной индукционной закалки:
1 — закаленный слой; 2 — сердцевина

Стали с высокой концентрацией углерода (60, 65, 70, 75, 80, 85), а также с увеличенным содержанием марганца (60Г, 65Г и 70Г) преимущественно применяют в качестве рессорно-пружинных. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита для получения высоких упругих и прочностных свойств (σ_в > 800 МПа). Стали используют для силовых упругих элементов — плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и других деталей пружинного типа.