Углеродистая сталь: классификация, маркировка, применение

• Что такое углеродистая сталь
• Классификация по содержанию углерода
• Классификация углеродистых сталей по степени раскисления
• Классификация углеродистых сталей по качеству
• Классификация по назначению
• Особенности маркировки углеродистых сталей
• Примеры расшифровки маркировки углеродистых марок стали
• Чем отличается углеродистая сталь от нержавеющей
• Применение углеродистой стали

Перечислить все марки стали, которые выпускает современная металлургия возможно, но сложно. Однако, несмотря на обширный перечень высокопрочных сплавов и экономнолегированных сталей, невысокая цена и универсальные механические и технологические свойства углеродистой стали по-прежнему обуславливают ее массовое производство и многовариантное применение в инжиниринге, энергетике, агрокомплексе и так далее.

Что такое углеродистая сталь

Начнем с определения. Углеродистая сталь – это сплав, полученный соединением железа с углеродом (С до 2,14%) и содержащий в небольшом количестве марганец, кремний, а также переходящие из шихты серу, никель, хром, медь и прочие примеси. Ее главной и определяющей основные свойства составляющей является углерод, а концентрация примесей мала и не оказывает значимого влияния на ключевые характеристики промежуточного и конечного продукта. Может поставляться с нормальным и повышенным содержанием марганца.

У таких сталей высокая критическая скорость закалки и небольшая прокаливаемость. Они имеют низкую стойкость против отпуска, невысокую теплостойкость и электропроводность. Под воздействием внешних факторов склонны к ржавлению и в них невозможно добиться сочетания высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью.

Классификация по содержанию углерода

Основные свойства углеродистых марок определяются количеством содержащегося C. Чем выше его концентрация в сплаве, тем лучше прочностные показатели, но в то же время его увеличенная концентрация негативно отражается на параметрах пластичности и свариваемости, поэтому классификация стали по содержанию углерода является базовой. Согласно этому принципу их разделяют на следующие подкатегории.

Низкоуглеродистая сталь

Для этой группы сталей свойственно крайне низкое наличие углерода в составе – всего в пределах 0,025…0,25%. Благодаря этому она прекрасно сваривается всеми видами сварки, не склонна к отпускной хрупкости и флокенонечувствительна. После термообработки значительно повышает свою прочность, но может также легко потерять ее при последующем нагреве. Применяется, как правило, в малонагруженных деталях , для изготовления несущих и ненесущих элементов сварных металлоконструкций и сборных каркасов, а также в изделиях, подвергающихся химико-термической обработке (азотированию, цементации, нитроцементации и пр.).

Среднеуглеродистая сталь

Ее отличает средняя массовая доля углерода в интервале от 0,25 до 0,6%. Стали с таким содержанием C мало флокеночувствительны, но склонны к подкалке. Это вызывает некоторые трудности при их сварке и обуславливает необходимость применения предварительного или сопутствующего прогрева металла обрабатываемых изделий.

Высокоуглеродистая сталь

В ее составе на долю углерода приходится 0,6…2,14 процента. И так как данный химический элемент в стали обычно находится в виде цементита (карбида железа Fe₃С), то с увеличением его содержания твердость, прочность и упругость повышаются, но параметры пластичности и сопротивления удару понижаются, а также больше проявляются склонность к старению и хладноломкости. Соответственно, такая углеродистая сталь свойства свариваемости имеет очень низкие и крайне плохо обрабатывается.

Классификация углеродистых сталей по степени раскисления

В результате реакций, происходящих в жидком металле во время плавки, в стальном расплаве находится повышенное количество газов. В основном это кислород, водород, азот, монооксид углерода и продукты вторичных реакций, а их присутствие и характер распределения в затвердевшем металле негативно влияют на его химическую и структурную однородность и ухудшает отдельные свойства: предел прочности, ударную вязкость, усталостную прочность, пластичность и пр.

Дегазация и частично десульфорация стали осуществляется во время процесса раскисления в сталеплавильном агрегате, в изложницах и на установках «ковш-печь» под влиянием сильно действующих раскислителей, которые вводят намеренно. Для углеродистых марок такими компонентами чаще всего выступают кремний и алюминий. Они являются сильными восстановителями по отношению к FeO, активно создают соединения с H₂, N₂ и CO, изменяют состав и количество выделяющихся из стали газов. Марганец также выступает раскислителем, но является не столь эффективным как Si и Al. Еще более глубокую дегазацию можно выполнить с применением специального оборудования – вакууматоров.

При добавлении раскислителей в расплав стали ее остывание в изложницах происходит более спокойно, то есть без бурного газовыделения. Это приводит к снижению газовых включений и минимизации концентрации локализующихся вокруг них вкраплений сульфидов и прочих неметаллических макро- и микровключений, которые повышают риски расслоения стали при прокатке. Соответственно, исходя из активности процесса дегазации стали во время ее кристаллизации углеродистые стали производятся в трех видах (в соответствии с классификацией, принятой в стандартах Украины и СНГ).

Спокойные

За счет максимального раскисления у них формируется плотная, относительно мелкозернистная и однородная структура. Поэтому они наиболее качественные и отличаются улучшенными физическими, механическими и технологическими свойствами.

Единственными минусами спокойных сталей можно назвать:

• повышенную стоимость, обусловленную использованием большего количества раскислителей и более кропотливым процессом производства;
• заниженный выход готового проката. Он, как правило, на 10-15 процентов меньше, чем у кипящих марок.

Кипящие

Обладают худшими показателями качества, так как имеют большую неоднородность по структуре и свойствам. У них гораздо выше порог хладноломкости, повышенная склонность к трещинообразованию после сварки. Их не рекомендуется использовать в конструкциях повышенного класса надежности и для агрегатов, рассчитанных на эксплуатацию при низких температурах. Тем не менее, благодаря меньшим расходам при производстве и потерям при дальнейшей переработке, такие стали по-прежнему широко используются при изготовлении неответственных изделий, эксплуатирующихся в нормальных условиях.

Полуспокойные

Стали этого вида являются частично раскислеными, поэтому они характеризуются усредненными показателями качества и основных физико-механических свойств. По сравнению со спокойными они менее затратны в производстве и дешевле, а по сравнению с кипящими – более удобны в обработке и надежны в эксплуатации.

Классификация углеродистых сталей по качеству

Эта система, также принятая на основе отечественных стандартов ДСТУ и ГОСТ, предполагает разделение по способу выплавки, от которого зависит качество металла, и тут основным критерием выступает количество серы (S) и фосфора (P). Такой принцип классификации дает возможность точно регламентировать нормируемые показатели сплавов, исходя из условий применения и требований, выдвигаемых к ним.

Чтобы понять зачем и как классифицируются углеродистые стали по качеству, достаточно вспомнить, что на их структурную и химическую однородность влияет наличие неметаллических включений, обусловленных присутствием соединений S и P. Сера способствует красноломкости, провоцирует трещинообразование при сварке и снижает ударную вязкость, а фосфор увеличивает хладноломкость с одновременным упрочнением. Таким образом, чем больше таких примесей содержит сталь, тем активней проявляется негативное влияние этих элементов.

Углеродистые стали обыкновенного качества

В их составе на долю углерода приходится не более 0,49%, на серу и фосфор – не более соответственно 0,050% и 0,040%. Могут производиться в сталеплавильных агрегатах любого типа. Поставляются с химическим составом согласно ДСТУ 2651/ГОСТ 380 в виде разнообразных фасонных профилей, горячекатаных прутков, проволоки, листов, полос и поковок.

Обычно прокат из таких сталей поставляется в горячекатаном или холоднокатаном состоянии, но для получения определенных свойств может подвергаться разной термообработке. Хотя, в виду отсутствия значительного количества легирующих элементов в составе сплава, слишком значительного прироста свойств она не дает.

Таблица. Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ДСТУ 2651/ГОСТ 380

Качественные углеродистые стали

Содержат серу и фосфор не более 0,040% и 0,035% соответственно. Горячекатаный и кованый прокат из таких сталей поставляется с химическим составом и механическими свойствами согласно ДСТУ 7809/ГОСТ 1050 (в части химии стандарт также распространяется на полуфабрикаты, трубы, штамповки и другие виды металлоизделий). Качественные конструкционные стали также выплавляются в агрегатах любого типа, но только в процессе их выплавки особенно контролируют соблюдение всех технологических этапов и строго подходят к составу исходных материалов и методам доводки сплава.

Качественные стали обладают хорошей пластичностью, выносливостью, достаточной ударной вязкостью и высокими пределами текучести. Лучше сопротивляются износу и после термообработки характеризуются достаточной твердостью поверхностных слоев.

Таблица. Химический состав и механические свойства некоторых марок углеродистой конструкционной качественной стали по ДСТУ 7809/ГОСТ 1050

Примечание: *Механические свойства сталей оценивают по результатам проведенных испытаний на образцах. Полученные характеристики необходимы при разработке технологических режимов, расчете и проектировании элементов оборудования, контроле качества металлоизделий.

Классификация по назначению

Данные о том, какими по качеству производят углеродистые конструкционные стали, позволяют объективно оценить свойства и качественные показатели конечной металлопродукции. Но чтобы при производстве изделий, полуфабрикатов, комплектующих, запасных частей и конструкций изготовители смогли обеспечить им должный уровень технологичности, надежности и безопасности, необходимо руководствоваться тем, где, как и в каком виде будет использоваться сталь углеродистая. Для этого ее в системе стандартов Украины и СНГ классифицируют на две следующие подгруппы.

Конструкционные

Обширная группа, включающая марки стали, использующиеся для металлоконструкций, деталей и комплектующих механизмов, устройств, предметов быта. Они должны хорошо сопротивляться удару и обрабатываться, отличаться оптимальным соотношением достаточной прочности, пластичности и долговечности. По качественным признакам конструкционные углеродистые стали включают марки обыкновенного качества и качественные. Выбираются с учетом параметров прочности в широком смысле, а также глубины прокаливаемости, величины ударной вязкости и износостойкости и пр.

Инструментальные

Широко применяются для штамповой оснастки, ручного и механического режущего инструмента, очень ограниченно – для измерительного. Поставляются с химическим составом согласно ДСТУ 3833/ГОСТ 1435 и используются преимущественно в термообработанном виде.

Инструментальная углеродистая сталь состав основных химических элементов имеет схожий с конструкционными марками. Только обычно в их составе 0,65…1,35% углерода, а на долю серы и фосфора приходится не более 0,028 и 0,030% в случае качественных сталей и не более 0,018% и 0,025% для высококачественных соответственно. Отличаются повышенными прочностными параметрами, твердостью, а также хорошей износоустойчивостью и стойкостью к малым пластическим деформациям. Их наружные слои хорошо прокаливаются, при этом сердцевина сохраняет относительную вязкость, препятствуя преждевременному разрушению инструмента.

Особенности маркировки углеродистых сталей

На данный момент единая международная маркировка металлических сплавов отсутствует, и каждая страна/ регион использует как собственные, так и межгосударственные системы. Как правило, они основываются либо на химическом составе, либо на назначении сплава с указанием гарантированного уровня основных свойств.

В Украине, как и в странах-участницах СНГ, при заказе металлопродукции, в проектно-конструкторской и другой документации маркировка углеродистых сталей выполняется по первому принципу с использованием буквенно-цифровой системы. Причем буквенным сокращением «Ст» принято обозначать стали обыкновенного качества, а идущие следом цифры от 0 до 6 – это номер сплава, условно присвоенный на основе состава химических элементов. Для маркировки качественных сталей используют двухзначные номера, порядок которых говорит об усредненном количестве углерода в сотых долях процентах.

Для обозначения степени раскисления после номера прописывают соответствующие индексы – кп (кипящая), пс (полуспокойная), сп (спокойная). В случае, если в составе находится увеличенная массовая доля марганца (от 0,80% и выше), то после цифрового обозначения ставится буква «Г». В то же время наличие буквы «А» в маркировке указывает, что углеродистая сталь отличается хорошей обрабатываемостью. Такие сплавы часто называют автоматными, так как они отлично зарекомендовали себя при серийном производстве деталей, использующем обработку на высокоскоростных металлорежущих станках с ЧПУ и автоматических станочных линиях.

Для обозначения инструментальных углеродистых сталей принято использовать «У» в начале маркировки. После нее традиционно идут одна или две цифры, числовой порядок которых отражает количество углерода в десятых долях процента.

Иногда в обозначении углеродистых сталей после цифрового кода можно увидеть и другие буквенные обозначения. Они указывают следующее:

• К – котельная сталь. Для нее свойственна улучшенная стабильность физико-механических свойств и повышенная прочность, что позволяет использовать ее для газовых баллонов, элементов теплогенерирующего оборудования и сосудов, работающих под давлением;
• Л – литейная сталь. Обладает повышенной жидкотекучестью, так как предназначена для отливок.

По правилам Евросоюза классификация и маркировка углеродистых сталей более сложные. Так, первая часть EN 10027 регламентирует порядок наименования на основе буквенно-цифровых обозначений исходя из их назначения, физических и механических свойств (первая группа) и химических свойств (вторая группа). EN 10027-2 характеризует порядок присвоения цифровых кодов, где марки углеродистой стали обыкновенного качества имеют номер 1.00ХХ, качественные – 1.01ХХ…1.09ХХ, инструментальные – 1.15ХХ…1.18ХХ.

Но во многих странах действуют сразу несколько систем. Например, в США стали маркируют, руководствуясь многочисленными стандартами, но наиболее применяемыми являются ASTM, AISI, SAE, ASME. Японская система еще недавно широко использовалась в странах Юго-Восточной Азии, но постепенно отмечается переход на собственные стандарты.

Таблица. Принцип наименования сталей группы 1 по EN 10027-1

Примечание: *данные указаны в качестве примера

Примеры расшифровки маркировки углеродистых марок стали

Приведем несколько примеров, как маркируются конструкционные углеродистые качественные стали, а также инструментальные и обыкновенного качества по отечественной системе.

Чем отличается углеродистая сталь от нержавеющей

Ключевое различие между такими сталями – параметры коррозионной стойкости, которую напрямую определяют качественный и количественный химический состав. При этом:

• нержавеющие стали – легированные коррозионностойкие сплавы с максимальной долей углерода не более 1,2%. Свое высокое сопротивление атмосферной, язвенной, электрохимической и трибологической коррозии они приобретают в основном в результате повышенного содержания хрома (12…18%) и никеля (до 10%), хотя в них также часто присутствуют титан, молибден, ниобий, алюминий и пр. Относятся к дорогостоящим сплавам и при этом они отлично полируются, что позволяет их широко использовать в декоративных целях. Но по сравнению с углеродистыми сталями большинство из них имеют большую вязкость, плохо свариваются и склонны к хрупкому разрушению;
• углеродистые марки сочетают в себе оптимальную прочность и пластичность. Они достаточно дешевые, но ржавеют под воздействием атмосферной влаги, электролита и других агрессивных веществ. За счет хорошей обрабатываемости на их поверхности можно добиться высокой чистоты, но идеальной полированной поверхности – нет. В качестве мер по минимизации коррозии их можно окрашивать и покрывать битумными мастиками, наносить защитные металлические покрытия гальваническим способом, горячим погружением и другими методами.

Соответственно, в тех случаях, когда для конечного пользователя крайне важна коррозионная стойкость металлоизделий, выбор очевиден и необходимо использовать специальные стали или материалы с покрытиями, рассчитанные на жесткие условия работы (высокая влажность, соляной туман, наличие в окружающей среде химических веществ и пр). В других случаях выбор «нержавейка» или углеродистая сталь необходимо делать на основе технико-экономического сравнения.

Применение углеродистой стали

Благодаря ценовой доступности и универсальным характеристикам сталь углеродистая относится к широко используемым материалам. Она представляет особую ценность для строительства, добывающей и обрабатывающей промышленности, а также очень разнообразно применяется в агрокомплексе, лесном хозяйстве, энергетике и пр. И так как перечислить все варианты их использования практически нереально, поэтому назовем основные и наиболее типовые варианты.

Таблица. Примеры применения углеродистых сталей

*Примеры приведены для общей информации и не отражают использование указанных марок в термообработанном или термически необработанном состоянии.

Данные в таблице лишь частично отражают возможное применение углеродистых сталей. В целом их значимость для современного общества громадна. Только благодаря их массовому производству нас окружает обширная инфраструктура электрических сетей, покорены водные потоки, а в домах появилась многочисленная бытовая техника.

Зная, что такое углеродистая сталь, можно смело делать вывод о том, что это технологичный продукт, который приносит существенную экономическую выгоду. Она производится из недефицитных компонентов и не столь затратна в производстве как легированные, а в термически упрочненном состоянии характеризуется довольно высокими параметрами прочности и поверхностной твердости.

Для современных металлоконструкций выбор стали осуществляется на основе глубокого анализа свойств и особенностей, так как только в таком случае возможно обеспечить их долговечность и необходимый уровень надежности при эксплуатации в широком температурном диапазоне и при воздействии расчетных динамических и статических нагрузок. И в данном вопросе менеджеры компании «Метинвест-СМЦ» всегда готовы помочь своим клиентам и подсказать для каких целей подойдет та или иная углеродистая сталь и какие ее свойства необходимо ставить в приоритет.