В эту группу входит обширный перечень сталей. Они не содержат дорогостоящих и дефицитных легирующих компонентов и поэтому малозатратны в производстве. Благодаря ценовой доступности и универсальным физико-механическим свойствам углеродистые марки являются общедоступными и широко применяются для производства металлопроката и востребованы в строительстве, инжиниринге и сельском хозяйстве.

Определение

Углеродистая нелегированная сталь – сложный железоуглеродистый сплав, в котором доля углерода составляет от 0,06 до 0,62%. В ней отсутствуют специально введенные легирующие элементы, но присутствуют раскислители и технологические примеси. В целом количество других компонентов, кроме железа (Fe) и углерода (С), лежит в пределах 0,8…1,5%.

На углеродистые стали классификация предполагает разделение сразу на несколько групп. При этом категории охватывают различные марки сталей со схожими качествами и технологическими характеристиками, что упрощает выбор на практике и позволяет потребителю более грамотно ориентироваться в широком и разнообразном марочном ассортименте.

Классификация углеродистых сталей по количеству углерода

Как химический элемент, углерод существенно влияет на ключевые технологические характеристики сталей. И на основе его массовой доли их классифицируют на:

• низкоуглеродистые. Содержат углерод в количестве менее 0,25%. Они хорошо свариваются, флокенонечувствительны и не склонны к отпускной хрупкости. Пластичны, но менее прочные и более мягкие. Для улучшения их механических свойств термическая обработка не используется;
• среднеуглеродистые. Содержат углерод в пределах 0,3…0,6%. Отличаются невысокой прокаливаемостью и средними параметрами прочности, пластичности и свариваемости. Могут закаливаться с последующим отпуском;
• высокоуглеродистые. В них концентрация углерода превышает 0,6%. Имеют высокую твердость, ударную вязкость и износостойкость. Отличаются низкой пластичностью и считаются трудносвариваемыми.

На углеродистые стали классификация и маркировка несложная, но все же простому потребителю достаточно сложно в ней ориентироваться. Главное запомнить, чем больше содержание углерода, тем выше номер марки стали.

Классификация по способу раскисления

Процесс раскисления стали является важным технологическим этапом, определяющим зерно и однородность металлической структуры. Он тесно связан с дегазацией расплавленного метала и основан на введении раскислителей – кремния, марганца и алюминия. Когда остывание в изложницах происходит спокойно и без активного выделения газов, напоминающего кипение, это минимизирует концентрацию газов и неметаллических включений в металле.

По степени раскисления углеродистые стали разделяются на три вида:

• кипящие. Менее качественные и наиболее дешевые марки. Проявляют наибольшую склонность к старению, а также к трещинообразованию после сварки;
• полуспокойные. Раскилены не до конца и поэтому по своим параметрам и качеству занимают среднее положение между кипящими и спокойными сталями;
• спокойные. Являются наиболее раскисленными и качественными, так как отличаются мелкозернистой структурой и химической однородностью. Более дорогие, но по сравнению с кипящими и полуспокойными обладают лучшими технологическими характеристиками и более высокими механическими свойствами.

Классификация по качеству

Нелегированная сталь разделяется на марки обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Классификация выполняется на основе качественных характеристик металла, которые в основном формируются на стадии выплавки и определяются содержанием вредных технологических примесей фосфора (P) и серы (S).

• Углеродистые стали обыкновенного качества. В их составе количество углерода не превышает 0,49%, а содержание постоянных технических примесей серы и фосфора лежит в пределах 0,04…0,06%. Они могут выплавляться в мартеновских, кислородно-конвертерных и электродуговых печах и имеют феррит-перлитную структуру. Поставляются согласно ДСТУ 2651/ГОСТ 380. Стандарт допускает химическую неоднородность металла и повышенное содержание марганца (Mn).
• Качественные стали. Их отличает пониженное содержание серы и фосфора, количество которых строго контролируется и не должно превышать 0,035%. Обладают улучшенными механическими характеристиками и после термоупрочнения имеют структуру «феррит + перлит». Могут выплавляться в разных сталеплавильных агрегатах промышленного типа. Поставляются в соответствии с ДСТУ 7809 и ГОСТ 1050.
• Высококачественные стали. Марки с точно регламентированным содержанием серы и фосфора и однородной мелкозернистой структурой. Массовая доля S и P в них не превышает 0,03%.

Классификация по назначению

Углеродистые конструкционные стали характеризуются довольно хорошими механическими свойствами, которые определяются путем проведения стандартных испытаний, и отличаются конструктивной прочностью. Они предназначены для штучного и массового изготовления сварных и сборных металлических конструкций и для производства различных деталей машин и агрегатов.

Среди конструкционных углеродистых сталей также принято различать следующие марки:

• литейные. Используются для изготовления отливок;
• котельные. Их целевое назначение – детали и конструктивные части котлов, арматуры и сосудов, работающих под давлением;
• автоматные. Отличаются улучшенной обрабатываемостью, легко поддаются резанью и снижают износ инструментальной оснастки. Поэтому их широко используют для автоматизированного производства деталей на универсальных и специальных станках.

Инструментальная углеродистая сталь применение имеет более специфическое и характеризуется высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Такие марки содержат углерод в пределах 0,7…1,5% и могут использоваться для изготовления режущего и измерительного промышленного и лабораторного инструмента, штамповочной оснастки и пробойников.

Углеродистые стали обыкновенного качества на основе гарантируемых характеристик и с учетом характера применения классифицируются на следующие категории: стали группы А (Ст0…Ст6) поставляются по механическим свойствам, стали группы Б (БСт0…БСт6) – по химическому составу, стали группы В (ВСт1…ВСт5) – по механическим характеристикам и химсоставу.

Состав и характеристики

Исходя из определения что такое углеродистая сталь понятно, что основными элементами в ее составе являются железо (Fe) и углерод (C). Кроме основных технологических характеристик они обуславливают ее склонность к коррозии и ржавлению – основной недостаток. Но на механические свойства нелегированных марок влияют и другие компоненты, входящие в состав. Конечно, их действие проявляется не столь значительно, как в легированных сталях, тем не менее они также в определенной степени влияют на качество и свойства сталей.

Таблица 1 – Перечень основных компонентов углеродистых сталей

Учитывая обширный марочный ассортимент, каждая нелегированная сталь химический состав должна иметь в четко оговоренных соотношениях основных элементов. Поэтому специалисты оперируют сразу несколькими стандартами:

• ДСТУ 2651/ГОСТ 380. По ним изготавливаются и поставляются марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества;
• ДСТУ 7809 и ГОСТ 1050. Определяют химический состав и характеристики качественных нелегированных сталей;
• ДСТУ 5952/ГОСТ 1435. Регламентируют технические условия (ТУ) поставок инструментальных углеродистых сталей качественных и высококачественных.
• ГОСТ 977. Описывает ТУ производства и поставок литейных сталей.

Обозначение и маркировка

В мировой практике используется несколько систем маркировки сталей. В Украине и в странах СНГ принята общая буквенно-цифровая система маркировки.

ДСТУ 2651/ГОСТ 380 оговаривают, что для марок обыкновенного качества в обязательном порядке прописывается сокращение «Ст» и указывается число, отражающее условный номер марки стали с учетом ее химического состава и механических характеристик.

Таблица 2 – Углеродистые стали обыкновенного качества

Спокойная сталь обозначается сокращением «сп», но для таких марок допускается не указывать данную маркировку. Для кипящих и полуспокойных марок после цифр прописывается аббревиатура «кп» или «пс» соответственно.

Если сталь обыкновенного качества содержит марганец в количестве, превышающем 0,8%, после цифрового обозначения прописывается буква «Г». Пример – Ст4Гпс или Ст6Гсп.

Качественная углеродистая сталь свойства имеет более высокие и в ее маркировке уже не пишется сокращение «Ст», но прописывается двойная цифровая маркировка – количество углерода, выраженное в сотых долях процента. Пример – 08пс, 20пс, 55.

В маркировке углеродистой инструментальной стали прописывается буквенный символ «У» и число – среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Для высококачественных инструментальных сталей принято после числового обозначения добавлять букву «А», а буква «Г» указывает, что сталь содержит повышенное количество марганца. Пример – У7, У8ГА, У9А.

В обозначении литейных марок стали кроме числового эквивалента содержания углерода прописывается буква «Л», а для котельных – буква «К».

Примеры расшифровки углеродистых сталей

Применение

Углеродистая сталь – конструкционный материал широкой сферы применения. Ее используют в гражданском и промышленном строительстве, тяжелом и легком машиностроении, приборостроении и вагоностроении. Из таких марок изготавливают детали, сборные узлы, элементы корпусов и обшивки разнообразных производственных и сельскохозяйственных механизмов и агрегатов.

Таблица 3 – Пример применения конструкционных нелегированных сталей

Нелегированные стали массово используются для производства:

• фасонного, сортового, плоского и трубного проката;
• гнутых и специальных профилей;
• поковок и отливок.

Производство ответственных металлических конструкций, эксплуатация которых предполагает работу на динамические нагрузки и при минусовых температурах, не рекомендуется вести с применением кипящих марок.

Инструментальные углеродистые стали У7 и У8/У8А используются для метчиков, отверток, зубил и прочей инструментальной оснастки, рассчитанной на эксплуатацию с ударными нагрузками. Из марок с более высоким содержанием углерода У10, У11, У12А, 13А производят надфили, плашки, ножовочные полотна, шаберы и так далее.