Перерахувати всі марки сталі, які випускає сучасна металургія можливо, але складно. Однак, незважаючи на великий перелік високоміцних сплавів і економнолегованих сталей, невисока ціна та універсальні механічні та технологічні властивості вуглецевої сталі як і раніше обумовлюють її масове виробництво і різноманітне застосування в інжинірингу, енергетиці, агрокомплексі й так далі.
Що таке вуглецева сталь
Почнемо з визначення. Вуглецева сталь – це сплав, отриманий з'єднанням заліза з вуглецем (С до 2,14%) і який містить у невеликій кількості марганець, кремній, а також перехідні з шихти сірку, нікель, хром, мідь і інші домішки. Її головною і визначальною основні властивості складовою є вуглець, а концентрація домішок мала і не має значного впливу на ключові характеристики проміжного і кінцевого продукту. Може поставлятися з нормальним і підвищеним вмістом марганцю.
У таких сталей висока критична швидкість загартування і невелика прогартівність. Вони мають низьку стійкість проти відпуску, невисоку теплостійкість й електропровідність. Під впливом зовнішніх факторів схильні до іржавіння та в них неможливо домогтися поєднання високої міцності й твердості з хорошою пластичністю.
Класифікація за вмістом вуглецю
Основні властивості вуглецевих марок визначаються кількісним вмістом C. Чим вище його концентрація у сплаві, тим краще показники міцності, але в той самий час його збільшена концентрація негативно відбивається на параметрах пластичності та зварюваності, тому класифікація сталі за змістом вуглецю є базовою. Згідно з цим принципом їх поділяють на такі підкатегорії.
Низьковуглецева сталь
Для цієї групи сталей властиво вкрай низька наявність вуглецю у складі – всього в межах 0,025...0,25%. Завдяки цьому вона прекрасно зварюється усіма видами зварювання, не схильна до відпускної крихкості та флокенонечутлива. Після термообробки значно підвищує свою міцність, але може також легко втратити її при наступному нагріванні. Застосовується, як правило, в малонавантажених деталях, для виготовлення несучих і ненесучих елементів зварних металоконструкцій і збірних каркасів, а також у виробах, що піддаються хіміко-термічній обробці (азотуванню, цементації, нітроцементації та ін.).
Середньовуглецева сталь
Її відрізняє середня масова частка вуглецю в інтервалі від 0,25 до 0,6%. Сталі з таким вмістом C мало флокеночутливі, але схильні до підгартовування. Це викликає деякі труднощі при їх зварюванні й обумовлює необхідність застосування попереднього або супутнього прогріву металу оброблюваних виробів.
Високовуглецева сталь
В її складі на частку вуглецю припадає 0,6...2,14 відсотка. І через те, що даний хімічний елемент у сталі зазвичай знаходиться у вигляді цементиту (карбіду заліза Fe3С), то зі збільшенням його вмісту твердість, міцність й пружність підвищуються, але параметри пластичності й опору удару знижуються, а також більше проявляються схильність до старіння і холодноламкості. Відповідно, така вуглецева сталь властивості зварюваності має дуже низькі та вкрай погано обробляється.
Класифікація вуглецевих сталей за ступенем розкислення
В результаті реакцій, що відбуваються в рідкому металі під час плавки, в сталевому розплаві знаходиться більша кількість газів. В основному це кисень, водень, азот, монооксид вуглецю і продукти вторинних реакцій, а їх присутність і характер розподілу в затверділому металі негативно впливають на його хімічну і структурну однорідність і погіршує окремі властивості: межа міцності, ударну в'язкість, міцність від утоми, пластичність та ін.
Дегазація і частково десульфорація сталі здійснюється під час процесу розкислення у сталеплавильному агрегаті, у виливницях та на установках «ківш-піч» під впливом сильнодійних розкисників, які вводять навмисно. Для вуглецевих марок такими компонентами найчастіше виступають кремній та алюміній. Вони є сильними відновниками по відношенню до FeO, активно створюють з'єднання з H2, N2 і CO, змінюють склад і кількість газів, що виділяються зі сталі. Марганець також виступає розкислювачем, але є не настільки ефективним як Si та Al. Ще більш глибоку дегазацію можна виконати із застосуванням спеціального обладнання – вакууматора.
При додаванні розкисників до розплаву сталі її охолодження у виливницях відбувається більш спокійно, тобто без бурхливого газовиділення. Це призводить до зниження газових включень і мінімізації концентрації локалізованих навколо них вкраплень сульфідів і неметалевих макро- і микровключень, які підвищують ризики розшарування сталі при прокатці. Відповідно, виходячи з активності процесу дегазації сталі під час її кристалізації вуглецеві сталі виробляються в трьох видах (відповідно до класифікації, прийнятої у стандартах України і СНД).
Спокійні
За рахунок максимального розкислення у них формується щільна, відносно дрібнозерниста і однорідна структура. Тому вони найбільш якісні та відрізняються поліпшеними фізичними, механічними й технологічними властивостями.
Єдиними мінусами спокійних сталей можна назвати:
- підвищену вартість, обумовлену використанням більшої кількості розкислювачів й більш копітким процесом виробництва;
- занижений вихід готового прокату. Він, як правило, на 10-15 відсотків менше, ніж у киплячих марок.
Киплячі
Мають гірші показники якості, бо відрізняються великою неоднорідністю структури та властивостей. У них набагато вище поріг холодноламкості, підвищена схильність до утворення тріщин після зварювання. Їх не рекомендується використовувати у конструкціях підвищеного класу надійності та для агрегатів, розрахованих на експлуатацію при низьких температурах. Проте, завдяки меншим витратам при виробництві і втратам при подальшій переробці, такі сталі як і раніше широко використовуються при виготовленні невідповідальних виробів, що експлуатуються в нормальних умовах.
Напівспокійна
Сталі цього виду є частково розкисленими, тому вони характеризуються усередненими показниками якості та основних фізико-механічних властивостей. У порівнянні зі спокійними вони менш затратні у виробництві й дешевше, а у порівнянні з киплячими – більш зручні у обробці та надійні в експлуатації.
Класифікація вуглецевих сталей за якістю
Ця система, також прийнята на основі вітчизняних стандартів ДСТУ та ГОСТ, передбачає поділ за способом виплавки, від якого залежить якість металу, і тут основним критерієм виступає кількість сірки (S) і фосфору (P). Такий принцип класифікації дає можливість точно регламентувати нормовані показники сплавів, виходячи з умов застосування й вимог, що висуваються до них.
Щоб зрозуміти навіщо та як класифікуються вуглецеві сталі за якістю, досить згадати, що на їх структурну й хімічну однорідність впливає наявність неметалічних включень, обумовлених присутністю сполук S і P. Сірка сприяє червоноламкості, провокує утворення тріщин при зварюванні та знижує ударну в'язкість, а фосфор збільшує холодноламкість з одночасним зміцненням. Таким чином, чим більше таких домішок містить сталь, тим активніше проявляється негативний вплив цих елементів.
Вуглецеві сталі звичайної якості
У їх складі на частку вуглецю припадає не більше 0,49%, на сірку і фосфор – не більше відповідно 0,050% і 0,040%. Можуть вироблятися у сталеплавильних агрегатах будь-якого типу. Поставляються з хімічним складом згідно ДСТУ 2651/ГОСТ 380 у вигляді різноманітних фасонних профілів, гарячекатаних прутків, дроту, листів, смуг і поковок.
Зазвичай прокат з таких сталей поставляється в гарячекатаному або холоднокатаному стані, але для отримання певних властивостей може піддаватися різним термообробці. Хоча, з причини відсутності значної кількості легуючих елементів в складі сплаву, занадто значного приросту властивостей вона не дає.
Таблиця. Хімічний склад вуглецевих сталей звичайної якості за ДСТУ 2651/ГОСТ 380
|
Сталь |
Масова частка основних компонентів у відсотках |
||
|
C |
Mn |
Si |
|
|
Ст0 |
до 0,23 |
– |
– |
|
Ст1кп |
0,06…0,12 |
0,25…0,50
|
0,05 і менше |
|
Ст1пс |
0,05…0,15 |
||
|
Ст1сп |
0,15…0,30 |
||
|
Ст2кп |
0,09…0,15 |
0,05 і менше |
|
|
Ст2пс |
0,05…0,15 |
||
|
Ст2сп |
0,15…0,30 |
||
|
Ст3кп |
0,14…0,22 |
0,30…0,60 |
0,05 і менше |
|
Ст3пс |
0,40…0,65 |
0,05…0,15 |
|
|
Ст3сп |
0,15…0,30 |
||
|
Ст4кп |
0,18…0,27 |
0,40…0,70
|
0,05 і менше |
|
Ст4пс |
0,05…0,15 |
||
|
Ст4сп |
0,15…0,30 |
||
|
Ст5пс |
0,28…0,37 |
0,50…0,80 |
0,05…0,15 |
|
Ст5сп |
0,15…0,30 |
||
|
Ст6пс |
0,38…0,49 |
0,05…0,15 |
|
|
Ст6сп |
0,15…0,30 |
||
Якісні вуглецеві сталі
Містять сірку та фосфор не більше 0,040% і 0,035% відповідно. Гарячекатаний і кований прокат з таких сталей поставляється з хімічним складом і механічними властивостями згідно ДСТУ 7809/ГОСТ 1050 (в частині хімії стандарт також поширюється на напівфабрикати, труби, штампування та інші види металовиробів). Якісні конструкційні сталі також виплавляються у агрегатах будь-якого типу, але тільки у процесі їх виплавки особливо контролюють дотримання всіх технологічних етапів і строго підходять до складу вихідних матеріалів і методів доведення сплаву.
Якісні сталі мають гарну пластичність, витривалість, достатню ударну в'язкість і високу межу плинності. Краще пручаються зносу й після термообробки характеризуються достатньою твердістю поверхневих шарів.
Таблиця. Хімічний склад і механічні властивості деяких марок вуглецевої конструкційної якісної сталі по ДСТУ 7809/ГОСТ 1050
|
Хімічний елемент/ Параметр |
Марка |
|||||||||||
|
08 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
|
|
Хімічний склад у ковшового пробі,% |
||||||||||||
|
Вуглець |
0,05...0,12 |
0,07…0,14 |
0,12…0,19 |
0,17…0,24 |
0,22…0,30 |
0,27…0,35 |
0,32…0,40 |
0,37…0,45 |
0,42…0,50 |
0,47…0,55 |
0,52…0,60 |
0,57…0,65 |
|
Кремній |
0,17…0,37 |
|||||||||||
|
Марганець |
0,35…0,65 |
0,35…0,65 |
0,35…0,65 |
0,35…0,65 |
0,50…0,80 |
0,50…0,80 |
0,50…0,80 |
0,50…0,80 |
0,5…0,80 |
0,50…0,80 |
0,50…0,80 |
0,50…0,8 |
|
Фосфор |
≤ 0,035 |
|||||||||||
|
Сірка |
≤ 0,040 |
|||||||||||
|
Хром |
≤ 0,10 |
≤ 0,15 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
≤ 0,25 |
|
Нікель |
≤ 0,30 |
|||||||||||
|
Мідь |
0,20 |
|||||||||||
|
Механічні властивості* |
||||||||||||
|
Межа плинності σт, Н/мм2 |
196 |
205 |
225 |
245 |
275 |
295 |
315 |
335 |
355 |
375 |
380 |
400 |
|
Тимчасовий опір σв, Н/мм2 |
320 |
330 |
370 |
410 |
450 |
490 |
530 |
570 |
600 |
630 |
650 |
680 |
|
Відносне подовження δ5, % |
33 |
31 |
27 |
25 |
23 |
21 |
20 |
19 |
16 |
14 |
13 |
12 |
|
Відносне звуження Ψ, % |
60 |
55 |
55 |
55 |
50 |
50 |
45 |
45 |
40 |
40 |
35 |
35
|
Примітка: * Механічні властивості сталей оцінюють за результатами проведених випробувань на зразках. Отримані характеристики необхідні при розробці технологічних режимів, розрахунку та проектуванні елементів обладнання, контроль якості металовиробів.
Класифікація за призначенням
Дані про те, якими за якістю виробляють вуглецеві конструкційні сталі, дозволяють об'єктивно оцінити властивості та якісні показники кінцевої металопродукції. Але щоб при виробництві виробів, напівфабрикатів, комплектуючих, запасних частин і конструкцій виробники змогли забезпечити їм належний рівень технологічності, надійності й безпеки, необхідно керуватися тим, де, як та у якому вигляді буде використовуватися сталь вуглецева. Для цього її в системі стандартів України та СНД класифікують на дві наступні підгрупи.
Конструкційні
Велика група, що включає марки сталі, що використовуються для металоконструкцій, деталей і комплектуючих механізмів, пристроїв, предметів побуту. Вони повинні добре чинити опір удару і оброблятися, відрізнятися оптимальним співвідношенням достатньої міцності, пластичності й довговічності. За якісними ознаками конструкційні вуглецеві сталі містять марки звичайної якості і якісні. Обираються з урахуванням параметрів міцності у широкому сенсі, а також глибини прогартівності, величини ударної в'язкості та зносостійкості і ін.
Інструментальні
Широко застосовуються для штампового оснащення, ручного і механічного різального інструменту, дуже обмежено – для вимірювального. Поставляються з хімічним складом згідно ДСТУ 3833/ ГОСТ 1435 і використовуються переважно у термообробленому вигляді.
Інструментальна вуглецева сталь склад основних хімічних елементів має схожий з конструкційними марками. Тільки зазвичай в їх складі 0,65...1,35% вуглецю, а на частку сірки і фосфору припадає не більше 0,028 і 0,030% у разі якісних сталей та не більше 0,018% і 0,025% для високоякісних відповідно. Відрізняються підвищеними характеристиками міцності параметрами, твердістю, а також хорошою зносостійкістю і стійкістю до малих пластичних деформацій. Їх зовнішні шари добре прогартовуються, при цьому серцевина зберігає відносну в'язкість, перешкоджаючи передчасному руйнуванню інструмента.
Особливості маркування вуглецевих сталей
На цей час єдина міжнародне маркування металевих сплавів відсутня, і кожна країна/регіон використовує як власні, так і світові міждержавні системи. Як правило, вони ґрунтуються або на хімічному складі, або на призначення сплаву із зазначенням гарантованого рівня основних властивостей.
В Україні, як і в інших країнах-учасницях СНД, при замовленні металопродукції, у проектно-конструкторській та іншій документації маркування вуглецевих сталей виконується за першим принципом з використанням буквено-цифрової системи. Причому літерним скороченням «Ст» прийнято позначати сталі звичайної якості, а наступні цифри від 0 до 6 – це номер сплаву, умовно присвоєний на основі складу хімічних елементів. Для маркування якісних сталей використовують двозначні номери, порядок яких говорить про усереднену кількості вуглецю у сотих частках відсотків.
Для позначення ступеня розкислення після номера прописують відповідні індекси – кп (кипляча), пс (напівспокійна), сп (спокійна). У разі, якщо в складі знаходиться збільшена масова частка марганцю (від 0,80% і вище), то після цифрового позначення ставиться буква «Г». Разом з тим наявність літери «А» у маркуванні вказує, що вуглецева сталь відрізняється хорошою оброблюваністю. Такі сплави часто називають автоматними, бо вони відмінно зарекомендували себе при серійному виробництві деталей, де використовується обробка на високошвидкісних металорізальних верстатах з ЧПУ та автоматичних верстатних лініях.
Для позначення інструментальних вуглецевих сталей прийнято використовувати «У» на початку маркування. Після неї традиційно йдуть одна або дві цифри, числовий порядок яких відображає кількість вуглецю в десятих частках відсотків.
Іноді у позначенні вуглецевих сталей після цифрового коду можна побачити й інші буквені позначення. Вони вказують наступне:
- К – котельна сталь. Для неї властива поліпшена стабільність фізико-механічних властивостей і підвищена міцність, що дозволяє використовувати її для газових балонів, елементів теплогенеруючого обладнання і посудин, що працюють під тиском;
- Л – ливарна сталь. Володіє підвищеною рідкоплинністю, бо призначена для виливків.
За правилами Євросоюзу класифікація та маркування вуглецевих сталей більш складні. Так, перша частина EN 10027 регламентує порядок найменування на основі буквено-цифрових позначень виходячи з їх призначення, фізичних і механічних властивостей (перша група) і хімічних властивостей (друга група). EN 10027-2 характеризує порядок присвоєння цифрових кодів, де марки вуглецевої сталі звичайної якості мають номер 1.00ХХ, якісні – 1.01ХХ...1.09ХХ, інструментальні – 1.15ХХ...1.18ХХ.
Але в багатьох країнах діють відразу кілька систем. Наприклад, в США сталі маркують, керуючись численними стандартами, але найбільш вживаними є ASTM, AISI, SAE, ASME. Японська система ще недавно широко використовувалася в країнах Південно-Східної Азії, але поступово почався перехід на власні стандарти.
Таблиця. Принцип найменування сталей групи 1 за EN 10027-1
Примітка: * дані вказані для прикладу
Приклади розшифуфрування маркування вуглецевих марок сталі
Наведемо кілька прикладів як маркуються конструкційні вуглецеві якісні сталі, а також інструментальні та звичайної якості по вітчизняній системі.
Чим відрізняється вуглецева сталь від нержавіючої
Ключова відмінність між такими сталями – параметри корозійної стійкості, яку безпосередньо визначають якісний і кількісний хімічний склад. При цьому:
- нержавіючі сталі – леговані корозійностійкі сплави з максимальною часткою вуглецю не більше 1,2%. Свій високий опір атмосферній, виразковій, електрохімічній й трибологічній корозії вони набувають в основному в результаті підвищеного вмісту хрому (12...18%) і нікелю (до 10%), хоча в них також часто присутні титан, молібден, ніобій, алюміній і ін. Належать до дорогих сплавів й при цьому вони відмінно поліруються, що дозволяє їх широко використовувати у декоративних цілях. Але у порівнянні з вуглецевими сталями більшість з них мають велику в'язкість, погано зварюються і схильні до крихкого руйнування;
- вуглецеві марки поєднують в собі оптимальну міцність і пластичність. Вони досить дешеві, але іржавіють під впливом атмосферної вологи, електроліту та інших агресивних речовин. За рахунок високої оброблюваності на їх поверхні можна домогтися високої чистоти, але ідеальної полірованій поверхні – ні. В межах заходи щодо мінімізації корозії їх можна фарбувати і покривати бітумними мастиками, наносити захисні металеві покриття гальванічним способом, гарячим зануренням і іншими методами.
Відповідно, у тих випадках, коли для кінцевого користувача вкрай важлива корозійна стійкість металовиробів, вибір очевидний і необхідно використовувати спеціальні сталі або матеріали з покриттями, розраховані на жорсткі умови роботи (висока вологість, соляний туман, наявність у навколишньому середовищі хімічних речовин та ін). В інших випадках вибір «нержавійка» або вуглецева сталь необхідно робити на основі техніко-економічного порівняння.
Застосування вуглецевої сталі
Завдяки цінової доступності й універсальним характеристикам сталь вуглецева відноситься до широко використовуваних матеріалів. Вона представляє особливу цінність для будівництва, добувної та обробної промисловості, а також дуже різноманітно застосовується в агрокомплексі, лісовому господарстві, енергетиці та ін. І через те, що перерахувати всі варіанти їх використання практично нереально, тому назвемо основні і найбільш типові варіанти.
Таблиця. Приклади застосування вуглецевих сталей
|
Марки |
Призначення * |
|
Конструкційна сталь вуглецева звичайної якості |
|
|
Ст0 |
Зварні конструкції невідповідального призначення, настили, шайби, обшивки, огорожі |
|
Ст1 |
Зварні конструкції, анкерні болти, що зв'язує обшивка |
|
Ст3, Ст4 |
Арматура, деталі рекуператора, осі роликів конвеєрів розливних машин, шестерні, втулки, вкладиші, важелі різних індустріальних механізмів, елементи вагонних рам і мостових ферм та інші несучі елементи зварних і незварних металоконструкцій |
|
Ст5 |
Шестерні, валки, ролики рольгангів, з'єднання шпинделів, фітинги, шайби, упори, пальці, ручки, тяги, кришки, цапфи |
|
Ст6 |
Нажімні гвинти, вали, ролики, опорні валки, поршні, ломи, вкладиши |
|
Конструкційна сталь вуглецева якісна |
|
|
16К, 18К |
Деталі й корпусу посудин, що працюють під тиском |
|
15, 20 |
Плоскі шаблони, скоби, осі, важелі, елементи трубних з'єднань, черв'яки, фланці |
|
25 |
Корпуси та обшивка апаратури, фланці запірної арматури, деталі кріплення, штифти, циліндри |
|
30 |
Траверси, важелі, диски, шпинделі, хомути, кулачки, балансири, пальці, преси |
|
50 |
Шестерні, валки прокатних станів, штоки, ходові гвинти, вагонні бандажі, корпуси форсунок |
|
60 |
Вагоні колеса, валки листових станів, диски зчеплення, установчі та опорні шайби, дріт для тросів |
|
75 |
Колеса вантажопідіймальних механізмів, замки зчеплення, пружини клапанів автомобільних двигунів |
|
Інструментальна сталь вуглецева |
|
|
У7А |
Інструменти для обробки деревини, штампи, центри токарних верстатів, клейма, масштабні лінійки |
|
У11 |
Прості витяжні штампи і невеликий висадочний інструмент |
|
У11А |
Голки, пили, дрібні ручні мітчики, фрези, плашки, пилки по металу |
|
У12А |
Напилки, рашпілі, штампи діаметром до 25 мм, шабери |
* Приклади наведені для загальної інформації і не відображають використання зазначених марок у термообробленому або термічно необробленому стані.
Дані у таблиці лише частково відображають можливе застосування вуглецевих сталей. В цілому їх значущість для сучасного суспільства величезна. Тільки завдяки їх масовому виробництву нас оточує велика інфраструктура електричних мереж, підкорені водні потоки, а у будинках з'явилася численна побутова техніка.
Знаючи, що таке вуглецева сталь, можна сміливо робити висновок про те, що це технологічний продукт, який приносить істотну економічну вигоду. Вона виробляється з недефіцитних компонентів і не настільки затратна у виробництві як леговані, а у термічно зміцненому стані характеризується досить високими параметрами міцності і поверхневої твердості.
Для сучасних металоконструкцій вибір сталі здійснюється на основі глибокого аналізу властивостей і особливостей, бо тільки в такому випадку можливо забезпечити їх довговічність і необхідний рівень надійності при експлуатації в широкому температурному діапазоні і при впливі розрахункових динамічних і статичних навантажень. І в даному питанні менеджери компанії «Метінвест-СМЦ» завжди готові допомогти своїм клієнтам і підказати для яких цілей підійде та або інша вуглецева сталь і які її властивості необхідно ставити в пріоритет.
